La stampa 3D costruisce un materiale biomimetico per il pericardio: il progetto PolyKARD raggiunge la maturità applicativa
Il contesto: perché il pericardio è difficile da replicare
Il pericardio è la membrana fibrosa che avvolge il cuore. Strutturalmente è composto principalmente da collagene ed è meccanicamente molto stabile, con una caratteristica fondamentale: il suo comportamento non è lineare sotto carico. Inizialmente si deforma con facilità, ma man mano che la tensione aumenta la rigidità cresce bruscamente. Questa curva tensione-deformazione non lineare è tipica dei tessuti biologici molli ed è estremamente difficile da riprodurre con i polimeri convenzionali. Le attuali soluzioni cliniche prevedono l’utilizzo di pericardio bovino o porcino, che comporta rischi immunologici e limiti nella personalizzazione geometrica. Il bisogno di un sostituto sintetico biocompatibile, meccanicamente fedele e producibile su misura è dunque reale e clinicamente rilevante.
Il progetto PolyKARD: obiettivi e finanziamento
Il progetto PolyKARD — acronimo che richiama la sintesi di un polimero biomimetico per applicazioni cardiache — è stato finanziato dal Ministero Federale tedesco per la Ricerca, la Tecnologia e lo Spazio (BMFTR), con codice di finanziamento 13XP5087. Il consorzio ha coinvolto il Fraunhofer IAP (Istituto Fraunhofer per la Ricerca sui Polimeri Applicati) con sede nel Parco Scientifico di Potsdam e l’NMI (NMI Natural and Medical Sciences Institute), con sede a Reutlingen, in Germania. Il progetto è partito intorno al 2020 con l’obiettivo di sviluppare polimeri biomimetici per la stampa 3D e l’elettrofilatura, capaci di imitare le proprietà meccaniche e biologiche del pericardio. Il traguardo più recente — presentato alla Hannover Messe 2026 (20-24 aprile, Stand D33, Padiglione 11) — è la dimostrazione che il materiale è pronto per essere trasferito a partner industriali per applicazioni concrete.
La struttura del materiale: tre strati con funzioni distinte
Il sostituto tissutale sviluppato nel progetto PolyKARD è un composito a tre strati, dove ogni livello svolge una funzione precisa:
Il primo strato è un film denso di poliacrilato di uretano (polyurethane acrylate), un fotopolimero elastomerico con buone proprietà meccaniche di base. Questo strato funge da substrato strutturale ed è ottenuto con tecniche di stampa 3D a fotopolimerizzazione.
Il secondo strato è una metastruttura ondulata stampata additivamente. È questo strato il cuore del progetto: la forma a onda determina il comportamento meccanico non lineare del composito. Quando il materiale viene teso, le ondulazioni si raddrizzano progressivamente, conferendo dapprima flessibilità e poi, al crescere della deformazione, una rigidità crescente — in analogia con quanto avviene nel tessuto naturale. La geometria è progettabile con precisione, permettendo di modulare la risposta meccanica in funzione dell’applicazione specifica.
Il terzo strato è composto da collagene elettrofilato, prodotto tramite un processo di electrospinning sviluppato internamente all’NMI. Il collagene forma una rete fibrosa tridimensionale che supporta l’adesione e la crescita cellulare. La qualità delle fibre di collagene viene monitorata con analisi enzimatiche e spettroscopiche non invasive.
Le proprietà meccaniche: confronto con il tessuto naturale
I test di trazione condotti dai ricercatori del Fraunhofer IAP dimostrano che il composito PolyKARD presenta un comportamento tensione-deformazione molto simile a quello del pericardio naturale. Il dottor Hadi Bakhshi del Fraunhofer IAP, che ha sviluppato il materiale e la tecnologia di stampa per la struttura portante insieme al dottor Wolfdietrich Meyer, ha descritto il meccanismo: nelle fasi iniziali di allungamento le onde si distendono longitudinalmente, mantenendo il materiale flessibile; superata una soglia di deformazione, la rigidità aumenta nettamente. Meyer ha aggiunto che la combinazione mirata di design strutturale e biomateriali consente di ottenere proprietà meccaniche molto prossime a quelle dei tessuti naturali.
La biocompatibilità: test cellulari e richiesta di brevetto
Parallelamente all’attività meccanica, l’NMI ha condotto la caratterizzazione biologica del materiale. I test di citotossicità non hanno evidenziato effetti avversi sulle cellule. Studi specifici di interazione cellula-materiale condotti con fibroblasti cutanei umani e cellule epiteliali indicano che la morfologia tridimensionale della rete fibrosa crea un ambiente favorevole all’adesione e alla proliferazione cellulare. Sulla base di questi risultati, Fraunhofer IAP e NMI hanno depositato congiuntamente una domanda di brevetto per il sostituto tissutale. La dottoressa Hanna Hartmann dell’NMI ha sottolineato che i risultati dimostrano la possibilità di combinare materiali tecnici con funzionalità biologica in modo controllato e riproducibile, aprendo possibilità per lo sviluppo di impianti bioidridi.
Hannover Messe 2026: verso la commercializzazione
Il materiale è stato presentato per la prima volta al pubblico industriale alla Hannover Messe 2026, dal 20 al 24 aprile, presso lo stand collettivo Fraunhofer nel Padiglione 11 (Stand D33). La presenza alla fiera non è casuale: il dottor Meyer ha dichiarato che lo sviluppo ha raggiunto un grado di maturità sufficiente per essere trasferito in applicazioni concrete, e che il passo successivo è la collaborazione con partner industriali per realizzare prodotti specifici e portarli sul mercato.
Applicazioni potenziali oltre il pericardio
Benché il progetto PolyKARD abbia come punto di riferimento principale il sostituto pericardico, le proprietà del materiale sviluppato sono adattabili a un’ampia gamma di applicazioni in ambito medicale. Tra quelle citate dai ricercatori figurano: vasi sanguigni artificiali, stent-graft, sostituti della dura madre (la membrana protettiva del cervello e del midollo spinale), lembi per la chiusura di difetti del setto cardiaco e applicazioni nel campo della pelle artificiale. La caratteristica chiave che rende il materiale versatile è la possibilità di modulare le proprietà meccaniche intervenendo sul design della metastruttura stampata, senza dover modificare la composizione chimica di base.
Il Fraunhofer IAP e l’NMI: profilo dei partner
Il Fraunhofer IAP è uno dei 76 istituti della rete Fraunhofer-Gesellschaft, il più grande istituto di ricerca applicata in Europa. Ha sede principale a Potsdam ed è specializzato nello sviluppo di polimeri per applicazioni industriali e medicali, con competenze specifiche nei fotopolimeri, nei biopolimeri e nei processi di stampa 3D. L’istituto lavora su materiali per la manifattura additiva, inclusi polimeri elastomerici e resine biocompatibili per la classe III di dispositivi medici.
L’NMI Natural and Medical Sciences Institute è un istituto di ricerca indipendente affiliato all’Università di Tübingen, con sede a Reutlingen. È specializzato nelle interfacce tra materiali, tecnologia e scienze biologiche. Tra le sue attività principali figurano l’elettrofilatura di biomateriali, la caratterizzazione biologica di dispositivi medici e lo sviluppo di sistemi di analisi cellulare.
