Design, development and in vivo validation of the objective-on-a-chip: an implantable miniaturized imaging window for longitudinal studies of foreign body reactions

This Ph.D. project is focused on the development of an innovative optical imaging tool for biocompatibility testing of biomaterials in vivo. Standardised protocols for biomaterial testing rely on histopathological analyses of animal biopsies requiring the sacrifice of a great number of animals. Therefore, the project aims at bioengineering an implantable multiphoton imaging window for new validation protocols of biomaterials, allowing longitudinal analysis of the reaction to implants in vivo, thus reducing the number of animals sacrificed and the invasiveness of current imaging windows. The specific goal of my project is to fabricate by two-photon laser polymerization (2PP), a miniaturised implantable chip consisting of an array of microlenses built on top of 3D microscaffolds and preliminarily evaluate in vivo the chip integration in relevant pathophysiological animal model. The microlens array will act as an in vivo low-magnification microscope objective allowing both the correction of optical aberrations and the repositioning of the field of view of the microscope during longitudinal studies on the same animal. The potential findings of this project will enhance the possibility of revolutionary in vivo observations of the host’s inflammatory response to the implant, with ethical, scientific, and economical impact. This device will permit to reduce the number of sacrificed animals in biomaterial testing procedures, and to strengthen the validation protocols in both a qualitative and quantitative manner.

Questo progetto di dottorato è incentrato sullo sviluppo di uno strumento innovativo di imaging per test di biocompatibilità di nuovi biomateriali in vivo. I protocolli standardizzati per i test dei biomateriali si basano su analisi istopatologiche di biopsie animali, che richiedono il sacrificio di un gran numero di animali. Pertanto, il progetto mira a bioingegnerizzare una finestra di imaging impiantabile per microscopia non lineare, destinata a nuovi protocolli di validazione dei biomateriali, consentendo analisi longitudinali della reazione agli impianti in vivo, riducendo così il numero di animali sacrificati e l'invasività delle finestre di imaging attualmente disponibili. L'obiettivo specifico del mio progetto è la fabbricazione, mediante polimerizzazione a due fotoni (2PP), di un chip miniaturizzato impiantabile costituito da un array di microlenti posizionate sopra microstrutture tridimensionali. Segue la preliminare validazione del microchip in modelli in vivo biologicamente rilevanti. L'array di microlenti fungerà da obiettivo a bassa magnificazione in vivo, consentendo sia la correzione delle aberrazioni ottiche che il riposizionamento del campo visivo del microscopio durante studi longitudinali sullo stesso animale. I risultati potenziali di questo progetto offriranno nuove possibilità per osservazioni rivoluzionarie in vivo della risposta infiammatoria dell'ospite all'impianto, con ricadute etiche, scientifiche ed economiche. Questo dispositivo permetterà di ridurre il numero di animali sacrificati nei protocolli di test dei biomateriali e di rafforzare i protocolli di validazione sia in termini qualitativi che quantitativi.