Un gruppo di ricercatori cinesi ha sviluppato uno scaffold biomimetico stampato in 3D che non si limita a fornire una struttura sulla quale possa crescere nuovo tessuto osseo, ma interviene anche sull’ambiente immunitario presente nella zona lesionata.
Il progetto prende ispirazione dalla struttura gerarchica e porosa dei coralli e combina nanotubi di carbonio a parete multipla, MWCNT, con nano-idrossiapatite, nHA, un materiale la cui composizione presenta forti analogie con la componente minerale dell’osso.
L’obiettivo è affrontare l’osteonecrosi della testa del femore indotta da steroidi, indicata con l’acronimo SONFH, una patologia nella quale l’utilizzo prolungato o ad alte dosi di glucocorticoidi può compromettere la microcircolazione dell’osso, alterare il comportamento delle cellule immunitarie e ostacolare i normali processi di rigenerazione.
Lo studio è stato condotto da ricercatori della Army Medical University, conosciuta anche come Third Military Medical University, e della Sichuan University in Cina. Tra gli autori figurano Yue Luo, Qianhao Li, Changjun Chen, Xin Zhao, Zhouyuan Yang, Donghai Li, Ke Jiang, Yan Xiong, Meng Tian e Pengde Kang.
Il lavoro è stato pubblicato il 30 giugno 2026 sulla rivista scientifica Bone Research.
L’osteonecrosi della testa del femore e il problema dei glucocorticoidi
La testa del femore è la parte sferica dell’osso che si inserisce nell’acetabolo formando l’articolazione dell’anca. Per mantenere la propria struttura, il tessuto osseo dipende da un apporto continuo di sangue, ossigeno e nutrienti.
Quando questa vascolarizzazione viene compromessa, gli osteociti possono andare incontro a necrosi e la struttura dell’osso può progressivamente indebolirsi.
L’osteonecrosi della testa del femore può essere provocata da diversi fattori. Una delle forme non traumatiche è associata all’impiego di glucocorticoidi, farmaci utilizzati nel trattamento di numerose condizioni infiammatorie e immunitarie.
Secondo i dati citati dagli autori dello studio, l’osteonecrosi indotta dai glucocorticoidi è stata descritta in una percentuale compresa approssimativamente tra il 9 e il 40% dei pazienti sottoposti a terapia corticosteroidea, con un rischio maggiore in presenza di esposizioni prolungate o dosaggi elevati.
Il problema non riguarda soltanto il danneggiamento iniziale dell’osso. I glucocorticoidi possono modificare l’ambiente cellulare nel midollo osseo e interferire con il processo attraverso il quale l’organismo dovrebbe riparare la lesione.
È proprio su questo secondo aspetto che si concentra il lavoro di Army Medical University e Sichuan University.
Il cosiddetto “immune freeze” che impedisce all’osso di ripararsi
I ricercatori descrivono nell’osteonecrosi indotta da steroidi una condizione che definiscono “immune freeze”, cioè una sorta di blocco dell’ambiente immunitario locale.
Uno degli elementi centrali riguarda i macrofagi.
Queste cellule del sistema immunitario partecipano alla risposta infiammatoria, eliminano residui cellulari e contribuiscono alla regolazione dei processi di riparazione dei tessuti.
Per semplificarne il comportamento, nella letteratura scientifica vengono spesso descritti due stati funzionali principali: M1 e M2.
I macrofagi associati al fenotipo M1 producono segnali prevalentemente pro-infiammatori e sono importanti nelle prime fasi della risposta a un danno. I macrofagi associati al fenotipo M2 partecipano invece alla risoluzione dell’infiammazione, alla ricostruzione del tessuto e ai processi di rigenerazione.
Questa distinzione è una semplificazione di una biologia in realtà molto più complessa, perché i macrofagi possono assumere diversi stati intermedi. È però utile per comprendere il meccanismo studiato dai ricercatori.
Nell’osteonecrosi indotta dai glucocorticoidi, i macrofagi possono rimanere bloccati più a lungo in una condizione pro-infiammatoria simile al fenotipo M1.
La transizione verso uno stato maggiormente associato alla riparazione M2 viene quindi ostacolata.
Il risultato è un ambiente locale nel quale l’infiammazione persiste e nel quale vengono contemporaneamente compromessi la formazione di nuovi vasi sanguigni e lo sviluppo di nuovo tessuto osseo.
Perché uno scaffold tradizionale può non essere sufficiente
Uno scaffold destinato all’ingegneria tissutale ossea è una struttura tridimensionale che funziona sostanzialmente come un’impalcatura temporanea.
Le cellule possono aderire alla sua superficie, proliferare, migrare all’interno dei pori e progressivamente depositare nuova matrice extracellulare.
Nell’approccio tradizionale uno degli obiettivi principali consiste quindi nel creare un materiale biocompatibile con proprietà meccaniche e geometriche adatte alla crescita dell’osso.
Nel caso della SONFH, secondo i ricercatori, questo approccio incontra però un limite: fornire soltanto supporto meccanico e osteoconduttivo non necessariamente modifica l’ambiente infiammatorio che ostacola il processo di rigenerazione.
Lo scaffold sviluppato da Army Medical University e Sichuan University è stato quindi progettato con un secondo obiettivo: influenzare direttamente il comportamento delle cellule immunitarie.
Una struttura ispirata ai pori del corallo
L’ispirazione geometrica arriva dai coralli.
Lo scheletro dei coralli presenta una struttura gerarchica composta da pori di differenti dimensioni collegati tra loro. Questa configurazione permette la circolazione di fluidi all’interno della struttura e presenta caratteristiche che i ricercatori hanno ritenuto interessanti per l’ingegneria del tessuto osseo.
L’osso trabecolare umano possiede infatti anch’esso una struttura tridimensionale porosa, nella quale spazi interconnessi consentono la presenza di cellule, vasi sanguigni e midollo.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato una tecnica di stampa 3D mediante deposizione a bassa temperatura per costruire uno scaffold con una struttura porosa organizzata su più scale.
Le analisi al microscopio elettronico hanno mostrato una struttura costituita da filamenti disposti ortogonalmente e attraversata da pori interconnessi.
A ingrandimenti maggiori, anche i singoli filamenti presentavano una superficie ruvida e una struttura interna simile a un nido d’ape, con numerosi microcanali.
Macropori da circa 400 micrometri e micropori intorno ai 9 micrometri
Uno degli aspetti più interessanti del progetto è la presenza contemporanea di pori di dimensioni differenti.
I macropori dello scaffold raggiungono approssimativamente 400 micrometri, mentre una parte significativa dei micropori presenta dimensioni intorno ai 9 micrometri.
Nel materiale analizzato dai ricercatori, la distribuzione principale dei micropori era compresa indicativamente tra 2 e 16 micrometri.
La distinzione è importante perché dimensioni diverse possono svolgere funzioni differenti.
I pori superiori a 100 micrometri facilitano la penetrazione del tessuto osseo e il trasporto di nutrienti.
I micropori intorno ai 10 micrometri possono invece favorire l’adesione cellulare e la formazione dei capillari.
Su scala ancora inferiore, la nanotopografia della superficie influenza l’adsorbimento delle proteine e l’interazione tra materiale e cellule.
La stampa 3D permette quindi di progettare non soltanto la forma esterna dell’impianto, ma anche l’architettura attraverso la quale le cellule dovranno progressivamente colonizzarlo.
Nano-idrossiapatite per imitare la componente minerale dell’osso
La prima componente fondamentale dello scaffold è la nano-idrossiapatite.
L’idrossiapatite è un fosfato di calcio strettamente legato alla componente minerale naturale del tessuto osseo ed è ampiamente studiata nell’ingegneria tissutale.
Utilizzandola in forma nanometrica aumenta la superficie disponibile per l’interazione con le cellule.
Durante il processo di degradazione, la nano-idrossiapatite può inoltre rilasciare ioni calcio e fosfato che partecipano ai processi di mineralizzazione della nuova matrice ossea.
La nHA fornisce quindi una superficie biomimetica sulla quale le cellule staminali mesenchimali del midollo osseo possono aderire e differenziarsi verso una linea osteogenica.
Da sola, tuttavia, non risolve necessariamente l’alterazione immunitaria provocata dai glucocorticoidi.
Il ruolo dei nanotubi di carbonio a parete multipla
Per aggiungere allo scaffold una funzione immunomodulante, il gruppo di Army Medical University e Sichuan University ha incorporato nanotubi di carbonio a parete multipla.
I MWCNT sono strutture nanometriche costituite da più cilindri concentrici di grafene.
Possiedono un’elevata superficie specifica e caratteristiche elettriche e meccaniche che hanno portato al loro studio in diversi settori della medicina rigenerativa.
Nel progetto cinese, tuttavia, il loro ruolo principale riguarda la capacità di modificare il comportamento dei macrofagi.
I ricercatori hanno prodotto scaffolds contenenti diverse concentrazioni di nanotubi: 0,2%, 0,5% e 1%, confrontandoli con strutture costituite principalmente da nano-idrossiapatite.
Dai test cellulari è emerso che la concentrazione dell’1% produceva l’effetto immunomodulante più marcato tra quelle esaminate.
Dal fenotipo M1 al fenotipo M2
Le cellule immunitarie sono state sottoposte a condizioni sperimentali progettate per riprodurre il microambiente infiammatorio associato all’impiego di glucocorticoidi.
In presenza degli scaffolds con nanotubi di carbonio, i macrofagi mostravano una riduzione dei marcatori associati al fenotipo M1 e un aumento di quelli correlati al fenotipo M2.
In particolare, diminuiva l’espressione di mediatori pro-infiammatori come IL-6 e TNF-α, mentre aumentavano marcatori e fattori associati alla risposta riparativa, tra cui Arg-1, IL-10, BMP-2 e VEGF.
Il materiale non agisce quindi semplicemente come supporto fisico.
L’obiettivo del progetto è utilizzare la superficie e la composizione dello scaffold per modificare i segnali biologici presenti nella zona danneggiata.
La via PI3K-AKT sembra essere uno dei meccanismi centrali
Le analisi molecolari condotte dal gruppo di ricerca indicano che il passaggio verso un ambiente maggiormente rigenerativo è associato all’attivazione della via di segnalazione PI3K-AKT.
Si tratta di un’importante rete di comunicazione intracellulare coinvolta in numerosi processi, tra cui sopravvivenza cellulare, proliferazione, metabolismo e differenziazione.
Secondo gli autori, i nanotubi di carbonio contribuiscono ad attivare questa via e favoriscono la trasformazione funzionale dei macrofagi dalla condizione M1 verso quella M2.
Il risultato è una diminuzione dell’infiammazione persistente e la creazione di condizioni biologiche più compatibili con la riparazione.
Le cellule staminali mesenchimali migrano meglio verso lo scaffold
Modificando l’ambiente immunitario, lo scaffold produce effetti anche sulle cellule coinvolte direttamente nella formazione del nuovo osso.
Il gruppo ha studiato le cellule staminali mesenchimali del midollo osseo, BMSC, che possono differenziarsi in osteoblasti e contribuire alla produzione di nuova matrice ossea.
Nei test di migrazione cellulare dopo 24 ore, il gruppo con scaffold contenente l’1% di MWCNT ha raggiunto un tasso di migrazione del 63,19%.
Il valore scendeva al 52,53% con lo 0,5% di nanotubi e al 51,2% con lo 0,2%.
Lo scaffold di nano-idrossiapatite senza MWCNT raggiungeva il 42,79%, mentre il gruppo di controllo si fermava al 34,18%.
Questi dati indicano che l’ambiente creato dallo scaffold composito può facilitare il reclutamento delle cellule necessarie alla rigenerazione.
Più attività osteogenica nelle prove di laboratorio
Le cellule staminali mesenchimali sottoposte all’ambiente creato dagli scaffolds con MWCNT hanno mostrato anche una maggiore differenziazione osteogenica.
Uno degli indicatori esaminati è stato l’enzima fosfatasi alcalina, ALP, utilizzato comunemente come marcatore delle prime fasi della differenziazione osteoblastica.
Nel gruppo con l’1% di nanotubi di carbonio, l’attività ALP risultava circa 2,6 volte superiore rispetto allo scaffold di sola nano-idrossiapatite e circa 5,7 volte superiore rispetto al controllo.
Anche la deposizione di calcio, valutata attraverso colorazione con rosso di alizarina, era superiore nei gruppi contenenti nanotubi di carbonio.
Non basta formare osso: servono anche nuovi vasi sanguigni
Perché un tessuto osseo possa rigenerarsi efficacemente non è sufficiente produrre nuova matrice minerale.
Il nuovo tessuto deve essere raggiunto da vasi sanguigni in grado di portare ossigeno e nutrienti.
L’angiogenesi costituisce quindi una parte indispensabile del processo.
La presenza di un ambiente immunitario favorevole alla riparazione aumentava l’espressione di fattori legati alla formazione dei vasi, tra cui il VEGF, Vascular Endothelial Growth Factor.
Gli esperimenti condotti sulle cellule endoteliali hanno mostrato una maggiore capacità di formare strutture tubolari, indicativa di un incremento del potenziale angiogenico.
Lo scaffold cerca quindi di coordinare tre processi strettamente collegati: riduzione dell’infiammazione persistente, formazione di nuovi vasi sanguigni e produzione di nuovo osso.
Proprietà meccaniche compatibili con l’osso spugnoso
Uno scaffold osseo deve anche offrire un supporto meccanico adeguato.
Le prove effettuate dai ricercatori hanno mostrato valori di resistenza a compressione compresi indicativamente tra 7,95 e 10,93 MPa, a seconda della quantità di nanotubi incorporata.
Secondo gli autori, questi valori rientrano nell’intervallo caratteristico dell’osso cancelloso naturale, indicativamente compreso tra 2 e 12 MPa.
L’aggiunta di nanotubi non ha quindi provocato differenze significative nella resistenza a compressione tra i diversi gruppi sperimentali.
Il modulo di Young, invece, diminuiva con l’aumento della concentrazione di MWCNT: lo scaffold con l’1% di nanotubi presentava un valore medio di circa 32 MPa, rispetto a circa 60 MPa per il materiale di sola nano-idrossiapatite.
Questi risultati mostrano il compromesso che deve essere affrontato nella progettazione dei biomateriali: aumentando o modificando una funzione biologica possono cambiare anche le caratteristiche meccaniche.
Una porosità che raggiunge circa l’80%
Gli scaffolds sviluppati dal gruppo presentavano inoltre un’elevata porosità.
A seconda della composizione, i valori misurati variavano approssimativamente dal 75 all’81%.
La struttura di sola nHA raggiungeva circa l’81,24%, mentre lo scaffold contenente l’1% di MWCNT presentava una porosità intorno al 75%.
Un’elevata porosità facilita la penetrazione di cellule e vasi sanguigni, ma deve essere bilanciata con la necessità di mantenere sufficiente resistenza meccanica.
È proprio il controllo di questo equilibrio uno dei motivi per cui la produzione additiva è interessante nell’ingegneria tissutale: la geometria interna può essere programmata prima della fabbricazione.
Vitalità cellulare superiore al 90% nei test in vitro
Poiché l’impiego dei nanotubi di carbonio in campo biomedico richiede particolare attenzione alla biocompatibilità, il gruppo ha condotto anche test sulla vitalità cellulare.
Le analisi Live/Dead effettuate sulle cellule coltivate sugli scaffolds hanno mostrato valori di vitalità superiori al 90% nei diversi gruppi sperimentali.
Nei test effettuati non è quindi emersa una evidente citotossicità attribuibile all’introduzione dei MWCNT nelle concentrazioni studiate.
È però importante distinguere questo risultato dalla sicurezza clinica a lungo termine.
La biocompatibilità osservata in laboratorio costituisce soltanto una delle numerose verifiche necessarie prima che un materiale contenente nanotubi di carbonio possa essere utilizzato nell’uomo.
I test su un modello animale di osteonecrosi
Dopo gli esperimenti cellulari, i ricercatori hanno valutato lo scaffold in un modello animale di osteonecrosi della testa del femore indotta da glucocorticoidi.
Gli esperimenti sono stati effettuati su conigli.
L’impianto dello scaffold contenente MWCNT ha modificato il microambiente immunitario nella zona interessata, aumentando la presenza di macrofagi con caratteristiche associate al fenotipo M2 e riducendo la risposta infiammatoria.
Contemporaneamente è stata osservata una maggiore formazione di nuovo tessuto osseo e una migliore organizzazione della rete vascolare.
Rispetto agli scaffolds convenzionali analizzati nello studio, la struttura ispirata al corallo ha favorito una ricostruzione più estesa del difetto osseo.
L’obiettivo è migliorare anche la decompressione del nucleo femorale
Nelle fasi iniziali dell’osteonecrosi della testa del femore può essere utilizzata la core decompression, o decompressione del nucleo femorale.
L’intervento consiste nella realizzazione di uno o più canali nell’osso con l’obiettivo di diminuire la pressione intraossea e favorire la rivascolarizzazione.
Il problema evidenziato dai ricercatori è che la decompressione affronta soprattutto l’aspetto meccanico e circolatorio, ma non elimina necessariamente l’ambiente infiammatorio provocato dall’esposizione ai glucocorticoidi.
Per questo il gruppo considera lo scaffold stampato in 3D come una possibile tecnologia complementare: dopo la decompressione potrebbe teoricamente fornire sia supporto alla crescita del nuovo osso sia segnali biologici capaci di modificare l’ambiente immunitario.
Questa possibile applicazione dovrà però essere verificata attraverso ulteriori studi.
Dalla semplice osteoconduzione all’immunomodulazione
L’aspetto più significativo del progetto sviluppato da Army Medical University e Sichuan University è probabilmente il passaggio dal concetto di scaffold passivo a quello di biomateriale attivo.
Uno scaffold tradizionale può essere progettato soprattutto per fornire una superficie sulla quale possa svilupparsi nuovo tessuto.
Il materiale cinese cerca invece di partecipare direttamente alla sequenza biologica della guarigione.
I MWCNT intervengono sull’ambiente immunitario.
La nano-idrossiapatite fornisce una matrice minerale compatibile con la formazione dell’osso.
La struttura gerarchica ispirata al corallo crea spazi nei quali possono penetrare cellule e vasi sanguigni.
La stampa 3D permette di riunire queste caratteristiche in una singola struttura con geometria controllata.
La stampa 3D consente di progettare il microambiente della rigenerazione
In questo tipo di ricerca la manifattura additiva non serve semplicemente a produrre un oggetto con una forma complessa.
Permette di controllare parametri come diametro dei filamenti, dimensione dei pori, interconnessione delle cavità e distribuzione spaziale del materiale.
Sono elementi che, su scala cellulare, modificano il modo in cui le cellule entrano in contatto con lo scaffold.
La geometria diventa quindi parte della funzione biologica del dispositivo.
Lo stesso principio viene studiato in numerose applicazioni di ingegneria tissutale, nelle quali la produzione additiva viene impiegata per avvicinare la struttura artificiale all’organizzazione gerarchica dei tessuti naturali.
Nel caso dello scaffold sviluppato in Cina, il modello è quello del corallo, la cui rete di pori offre un’analogia utile con alcune caratteristiche dell’osso trabecolare.
Dai risultati sui conigli all’impiego clinico resta ancora molta ricerca da svolgere
I risultati non significano che lo scaffold sia già disponibile per il trattamento dell’osteonecrosi nei pazienti.
Lo studio comprende test in vitro e una sperimentazione in vivo su conigli.
Prima di poter valutare un’applicazione clinica sarà necessario approfondire diversi aspetti, tra cui la sicurezza a lungo termine dei nanotubi di carbonio, la loro degradazione o permanenza nell’organismo, la risposta immunitaria prolungata, il comportamento meccanico dello scaffold durante la rigenerazione e la riproducibilità del processo produttivo.
Dovranno inoltre essere valutate dimensioni e geometrie compatibili con l’anatomia umana e dovrà essere dimostrato che gli effetti immunomodulatori osservati nei modelli sperimentali possano essere riprodotti nell’uomo senza conseguenze indesiderate.
L’utilizzo dei nanotubi di carbonio rende particolarmente importante questa fase di valutazione, perché caratteristiche come dimensione, funzionalizzazione superficiale, concentrazione e modalità di degradazione possono modificare sensibilmente la risposta biologica.
Un approccio che combina materiali, immunologia e produzione additiva
Il lavoro della Army Medical University e della Sichuan University mostra come la ricerca sui biomateriali stampati in 3D si stia spostando dalla semplice ricostruzione geometrica verso il controllo dell’ambiente biologico.
Lo scaffold ispirato al corallo cerca di intervenire contemporaneamente su struttura, cellule immunitarie, cellule staminali e vascolarizzazione.
I risultati ottenuti in laboratorio e nel modello animale indicano che la combinazione tra nano-idrossiapatite e nanotubi di carbonio può favorire il passaggio dei macrofagi verso un fenotipo associato alla riparazione attraverso la via PI3K-AKT, migliorando contemporaneamente migrazione cellulare, osteogenesi e angiogenesi.
Il passaggio successivo sarà stabilire se questi risultati possano essere mantenuti in modelli più vicini alle condizioni cliniche e, in prospettiva, se un materiale di questo tipo possa essere utilizzato in sicurezza nella chirurgia dell’anca.
Per ora si tratta quindi di una ricerca preclinica, ma evidenzia una direzione precisa dell’ingegneria tissutale: utilizzare la stampa 3D non soltanto per costruire la forma di un impianto, ma per progettare il microambiente nel quale dovrà avvenire la rigenerazione.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
