Morbido ma resistente: il materiale bioibrido si comporta come la cartilagine
ITHACA, NY — La produzione di biomateriali che corrispondano alle prestazioni della cartilagine e dei tendini è stato un obiettivo sfuggente per gli scienziati, ma un nuovo materiale creato alla Cornell dimostra un nuovo approccio promettente per imitare il tessuto naturale.
I risultati sono stati pubblicati l’8 luglio negli Atti della National Academy of Sciences e forniscono una nuova strategia per sintetizzare soluzioni cliniche per il tessuto danneggiato.
Il tessuto deve essere abbastanza morbido da piegarsi e flettersi, ma abbastanza resistente da sopportare un carico prolungato, ad esempio il peso che un tendine del ginocchio deve sostenere. Quando il tessuto si consuma o è danneggiato, gli idrogel di collagene e i materiali sintetici hanno il potenziale per fungere da sostituti, ma nessuno dei due da solo possiede la giusta combinazione di proprietà biologiche e meccaniche del tessuto naturale.
Ora, i ricercatori Cornell hanno progettato un materiale composito bioibrido con le caratteristiche essenziali di un tessuto naturale. Il materiale è costituito da due ingredienti principali: il collagene – che conferisce al materiale la sua morbidezza e biocompatibilità – e un idrogel zwitterionico sintetico, che contiene gruppi molecolari caricati positivamente e negativamente.
“Questi gruppi di carica interagiscono con i gruppi caricati negativamente e positivamente nel collagene e questa interazione è ciò che consente ai materiali di dissipare energia e raggiungere alti livelli di tenacità”, ha affermato Lawrence Bonassar , Daljit S. ed Elaine Sarkaria Professore in Ingegneria Biomedica nel College of Engineering e co-autore principale dello studio.
Il composito bioibrido si avvicina alle prestazioni della cartilagine articolare e di altri tessuti biologici, possedendo il 40% in più di elasticità e 11 volte l’energia di frattura – una misura della durabilità – del materiale zwitterionico da solo.
Nikolaos Bouklas , assistente professore presso la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering e co-autore principale dello studio, ha affermato che la biocompatibilità del materiale significa che può reclutare cellule e mantenerle in vita.
“In definitiva, vogliamo creare qualcosa per scopi di medicina rigenerativa, come un pezzo di scaffold in grado di sopportare alcuni carichi iniziali fino a quando il tessuto non si rigenera completamente”, ha detto Bouklas. “Con questo materiale, potresti stampare in 3D un’impalcatura porosa con cellule che potrebbero eventualmente creare il tessuto reale attorno all’impalcatura”.
Inoltre, il materiale bioibrido si autoassembla una volta mescolati i due ingredienti, ha detto Bouklas, creando “la stessa rete interconnessa di collagene vista nella cartilagine naturale, che altrimenti sarebbe estremamente difficile da produrre”.
La ricerca ha riunito quattro laboratori di ricerca di tre diversi dipartimenti grazie a un seed grant del Cornell Center for Materials Research . Il collagene utilizzato nel composito bioibrido era già in fase di sviluppo nel laboratorio di Bonassar, mentre l’idrogel zwitterionico è stato sviluppato dai coautori dello studio Robert Shepherd , professore associato alla Sibley School, ed Emmanuel Giannelis , il professore di ingegneria Walter R. Read presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali.
Gli autori dello studio stanno continuando a ricercare il materiale ei processi molecolari alla base della sua sintesi. Bonassar ha affermato che il materiale è adatto per il tipo di bioprinting sperimentato nel suo laboratorio e gli autori hanno iniziato a sperimentare con l’utilizzo come materiale per la stampa 3D.
