Analisi della texture di Haralick: un approccio Computer Vision per valutare le proprietà adesive di biomateriali elettrospinnati a base di cheratina per la rigenerazione della cute

Biocompatibility is a crucial factor to consider in tissue engineering, as it determines the ability of a material to integrate safely and functionally within the human body. Without adequate verification of biocompatibility, it is impossible to implant or replace a material in the human body without risking adverse reactions or graft failure. In the context of skin tissue regeneration, the use of biocompatible materials is essential to promote healing and prevent infections. The purpose of this thesis is to investigate the adhesive properties of two specific samples synthetized by Dr. Vineis and Dr. Varesano at STIIMA-CNR of Biella (Italy): one composed of pure keratin and the other of keratin enriched with gold nanoparticles. These materials were chosen for their potential applications in skin tissue regeneration, especially following damage of varying severity, such as burns or ulcers. Keratin is known for its biocompatible properties and ability to promote cell regeneration, while gold nanoparticles are being explored for their antibacterial properties and ability to enhance cell adhesion. To evaluate the adhesive properties of the samples against eukaryotic and prokaryotic cells, an innovative approach based on computer vision was employed, using second-order statistics to extract Haralick’s features. These features, derived from a texture analysis of images obtained via scanning electron microscopy (SEM), provide detailed information about the samples' structure at the microscopic level. SEM images were previously acquired to ensure a solid data foundation from which to extract the necessary characteristics for subsequent analysis. Afterwards, the extracted features were combined with biological data obtained from two distinct experiments. The first experiment employed human osteosarcoma cells (SaOs-2) to study cell adhesion to the samples, a key indicator of biocompatibility. The second experiment examined bacterial adhesion to the samples, an essential parameter for assessing the potential risk of infection associated with implantable materials. The results obtained, presented in graphical form, demonstrated not only the biocompatibility of the materials but also a clear superiority of the sample containing gold nanoparticles. In fact, this sample showed greater eukaryotic cell adhesion and reduced bacterial adhesion, suggesting potentially superior efficacy in skin tissue regeneration compared to pure keratin sample. These findings could have significant implications for the development of new materials for medical applications, particularly in the field of tissue regeneration.

La biocompatibilità è un fattore cruciale da considerare in ingegneria dei tessuti, poiché determina la capacità di un materiale di integrarsi in modo sicuro e funzionale all'interno del corpo umano. Senza una verifica adeguata della biocompatibilità, risulta impossibile impiantare o sostituire un materiale nel corpo umano senza rischiare reazioni avverse o il fallimento dell'innesto. Nel contesto della rigenerazione del tessuto cutaneo, l'uso di materiali biocompatibili è fondamentale per promuovere la guarigione e prevenire infezioni. Lo scopo di questa tesi è di indagare le proprietà adesive di due campioni specifici sintetizzati dalla Dr.ssa Vineis e dal Dr. Varesano presso STIIMA-CNR di Biella (Italia): uno composto da cheratina pura e l'altro da cheratina arricchita con nanoparticelle d'oro. Questi materiali sono stati scelti per le loro potenziali applicazioni nella rigenerazione del tessuto cutaneo, specialmente in seguito a danni di varia gravità, come ustioni o ulcere. La cheratina è nota per le sue proprietà biocompatibili e per la capacità di promuovere la rigenerazione cellulare, mentre le nanoparticelle d'oro vengono esplorate per le loro proprietà antibatteriche e per la capacità di migliorare l'adesione cellulare. Per valutare le capacità adesive dei campioni nei confronti di cellule eucariotiche e procariotiche, è stato utilizzato un approccio innovativo basato sulla computer vision che sfrutta metodi statistici del secondo ordine per estrarre le features di Haralick. Queste features, derivate dall'analisi di immagini ottenute tramite microscopia elettronica a scansione (SEM), permettono di ottenere informazioni dettagliate sulla struttura dei campioni a livello microscopico. Le immagini SEM sono state acquisite in precedenza per garantire una base solida di dati visivi da cui estrarre le caratteristiche necessarie per le successive analisi. In seguito, le features estratte sono state combinate con dati biologici ottenuti da due esperimenti distinti. Il primo esperimento ha impiegato cellule di osteosarcoma umano (SaOs-2) per studiare l'adesione cellulare ai campioni, un indicatore chiave di biocompatibilità. Il secondo esperimento ha esaminato l'adesione batterica ai campioni, un parametro essenziale per valutare il potenziale rischio di infezione associato ai materiali impiantabili. I risultati ottenuti, presentati in forma grafica, hanno dimostrato non solo la biocompatibilità dei materiali studiati, ma anche una chiara superiorità del campione contenente nanoparticelle d'oro. In particolare, questo campione ha mostrato una maggiore adesione delle cellule eucariotiche e una minore adesione batterica, suggerendo un'efficacia potenzialmente superiore nella rigenerazione del tessuto cutaneo rispetto al campione di cheratina pura. Questi risultati potrebbero avere implicazioni significative per lo sviluppo di nuovi materiali per applicazioni mediche, in particolare in ambito di rigenerazione tissutale.