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Un nuovo biomateriale per riparare cuore, muscoli e corde vocali

Il nuovo idrogel, progettato per essere iniettabile, è riuscito a resistere a elevate sollecitazioni meccaniche come nessuna delle alternative già disponibili

Categorie Biomateriali · Ingegneria cellulare e tissutale

L’impiego degli idrogel è ormai molto diffuso in numerose applicazioni biomediche. Si tratta di polimeri caratterizzati da un’elevata percentuale di acqua al loro interno. Presentano inoltre delle proprietà che li rendono particolarmente utili nel campo dell’ingegneria tissutale, essendo risultati capaci di veicolare la riparazione di organi e tessuti.  Gli idrogel, infatti, possono essere iniettati per via mininvasiva e sono quindi una valida alternativa ai classici biomateriali che spesso richiedono interventi più complessi per essere impiantati.

Nonostante il loro ampio sviluppo alcuni aspetti necessitano di ulteriori miglioramenti. Tra questi figurano il trasporto di nutrienti, fondamentali per la sopravvivenza delle cellule, e le proprietà meccaniche, spesso non adeguate a tutte le applicazioni. Un gruppo di ricercatori della McGill University ha sviluppato un nuovo promettente biomateriale che sembra risolvere queste limitazioni, in particolari per quelle applicazioni che prevedono elevate sollecitazioni meccaniche, come nel caso delle corde vocali. 

Un nuovo biomateriale per riparare cuore, muscoli e corde vocali

La formulazione del nuovo idrogel

Il nuovo biomateriale è stato pensato per essere impiegato in quelle applicazioni in cui è necessaria un’elevata resistenza ai continui movimenti dei tessuti, come ad esempio nel cuore, nei muscoli o nelle corde vocali. È stato chiamato porous double-network (PDN) ed è stato creato dall’unione di chitosano, glicol-chitosano e gliossale. Il primo è un polisaccaride, già ampiamente impiegato nel settore biomedicale, che è risultato particolarmente interessante per la sua capacità di dare separazione di fase, proprietà che è stata utile per creare i pori interconnessi nella struttura. 

Un nuovo biomateriale per riparare cuore, muscoli e corde vocali

Gli studiosi hanno lavorato sulla composizione dell’idrogel al fine di ottenere tutte le caratteristiche desiderate: citocompatibilità, resistenza, pori interconnessi, permeabilità e iniettabilità. Per ottenere le dimensioni ottimali dei pori, poi, i ricercatori hanno modificato la concentrazione di glicol-chitosano, essendo questa inversamente proporzionale al parametro in esame. È stato possibile ottenere una dimensione media finale tra i 6 e i 10 micrometri. Si tratta di un ordine di grandezza paragonabile a quello delle cellule, il che risulta fondamentale per la ripopolazione del tessuto. 

Il test per simulare le sollecitazioni delle corde vocali

Per verificare le proprietà del PDN, i ricercatori hanno sviluppato un sistema che simula le condizioni biomeccaniche a cui sono sottoposte le corde vocali. Il bioreattore costruito riproduce proprio le tipiche vibrazioni della zona ad una frequenza di 120 Hertz. Il nuovo materiale, inserito nel setup di prova, è riuscito a resistere per oltre 6 milioni di cicli (2 ore al giorno per 7 giorni). Le alternative già esistenti, invece, non hanno superato lo stesso test.

Un nuovo biomateriale per riparare cuore, muscoli e corde vocali
Il setup di prova. Credits: McGill University

Per approfondire ulteriormente il comportamento del materiale è stato implementato anche un modello agli elementi finiti, grazie al quale si sono verificati lo snervamento e la rigidezza, entrambi risultati adatti all’applicazioni e soprattutto superiori a quelli degli altri idrogel testati. Anche per quanto riguarda vitalità e proliferazione cellulare nell’idrogel, i dati trovati sono stati ottimi. I ricercatori affermano infatti che ad ora la loro alternativa è l’unica in cui sono stati riscontrati dei buoni valori anche in costrutti dell’ordine di grandezza dei centimetri, ovvero le dimensioni necessarie nei tessuti come cuore, muscoli e corde vocali.

Il bioreattore simula le sollecitazioni tipiche delle corde vocali. Credits: Guangyu Bao

Le prospettive del biomateriale

L’idrogel deve ancora essere testato sugli animali per biocompatibilità, biodegradabilità e prestazioni terapeutiche, ma i ricercatori sperano di poter avere presto anche il permesso per i trial clinici. Questo nuovo biomateriale è infatti davvero promettente e lo studio sta proseguendo al fine di poterne ampliare l’impiego anche in altri campi. Un esempio potrebbe essere la creazione di modelli di polmoni che sarebbero utili per testare medicinali per la cura del COVID-19. 

Le proprietà e i risultati ottenuti dalle simulazioni fanno ben sperare per l’utilizzo del biomateriale in tutte quelle situazioni caratterizzate da zone in movimento costante, quindi non solo corde vocali, ma anche muscoli e cuoreSi tratterebbe di una nuova importante alternativa per queste applicazioni in cui, ad ora, non sono disponibili altri materiale sufficientemente resistenti.