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Un trattamento efficace e la riparazione della cartilagine danneggiata rappresentano ancora una sfida significativa per la medicina di oggi. I ricercatori della Duke University negli Stati Uniti hanno recentemente creato un nuovo materiale composito a base di idrogel che corrisponde alla forza e alla durata del tessuto cartilagineo naturale. Il nuovo sviluppo promette di superare i limiti delle attuali tecniche di riparazione della cartilagine.

La cartilagine articolare è un tessuto altamente specializzato che svolge un ruolo cruciale nel corpo umano. La cartilagine sana fornisce un movimento a basso attrito e assicura un’efficiente distribuzione del carico e del peso nelle articolazioni scheletriche.

Cartilagine – Una meraviglia naturale

La cartilagine naturale consiste in cellule condrocitarie scarsamente distribuite, incorporate nella matrice extracellulare della cartilagine. È composta principalmente da acqua (60-85% in peso), 15-22% in peso di collagene di tipo II (uno dei principali tessuti connettivi del corpo) e 4-7% in peso di glicosaminoglicani (lunghe molecole lineari di polisaccaridi).

Questi tre componenti intrecciati forniscono le proprietà uniche del tessuto cartilagineo. Con uno spessore medio di 2,2 mm, la cartilagine penetra parzialmente nel tessuto osseo poroso sottostante, rivestendo la superficie dell’osso e garantendo un movimento a basso attrito nell’articolazione. Allo stesso tempo, la cartilagine è altamente deformabile, il che facilita un’efficace distribuzione del carico aumentando l’area di contatto tra le superfici opposte in tutta l’articolazione.

I traumi alle ossa e alle articolazioni hanno un impatto significativo sulla società moderna

Il tessuto cartilagineo è privo di vasi sanguigni, con conseguente scarso apporto di nutrienti e lenta estrazione dei prodotti di scarto (affidata alla diffusione attraverso la matrice cartilaginea) e la riduzione dell’attività metabolica dei condrociti. Questo limita l’auto-rigenerazione e la riparazione intrinseca.

Oltre alla normale usura della cartilagine dopo decenni di uso costante, le lesioni ossee e articolari legate alle attività sportive e agli incidenti stradali contribuiscono significativamente alla domanda di trattamenti e prodotti per la riparazione della cartilagine in tutto il mondo, con oltre 600.000 interventi di sostituzione dell’articolazione del ginocchio eseguiti negli Stati Uniti ogni anno, e un mercato globale della riparazione della cartilagine valutato a USD 4.80 miliardi di dollari nel 2018.

Al momento, i trattamenti più comuni del tessuto cartilagineo danneggiato forniscono solo un sollievo sintomatico a breve termine (rimuovendo pezzi sciolti di cartilagine danneggiata o trapiantando cartilagine di donatori) o richiedono la sostituzione dell’articolazione danneggiata con una artificiale. Tutti questi metodi hanno tipicamente alti tassi di fallimento (25-50% dopo 10 anni) e richiedono lunghi tempi di riabilitazione (12 mesi o più).

Le limitazioni delle attuali strategie di riparazione e rigenerazione della cartilagine hanno scatenato intensi sforzi di R&D biomedico da parte di gruppi di ricerca sia accademici che industriali che mirano a sviluppare materiali di sostituzione con proprietà biomeccaniche simili alla cartilagine naturale.

Materiali intelligenti possono aiutare a riparare la cartilagine danneggiata

Diversi materiali ingegnerizzati biocompatibili e non degradabili, come le leghe cobalto-cromo, la ceramica e il polietilene ad altissimo peso molecolare, sono attualmente utilizzati come sostituti della cartilagine o dell’intera articolazione. Tuttavia, questi materiali possiedono proprietà meccaniche significativamente diverse rispetto alla cartilagine naturale e spesso hanno effetti negativi sulla struttura ossea circostante.

Dagli anni ’70, gli idrogeli (reti altamente idratate di polimeri idrofili reticolati) hanno attirato l’attenzione degli scienziati come materiali sostitutivi della cartilagine a causa della loro biocompatibilità, alto contenuto d’acqua e bassa permeabilità, con conseguente capacità di lubrificazione eccezionale, e basso assorbimento di proteine.

I principali svantaggi di questi materiali sono la mancanza di resistenza alla frattura e l’insufficiente modulo elastico richiesto per sostenere il carico previsto nell’articolazione.

Un gruppo di ricerca della Duke University, guidato dai professori Benjamin Wiley e Ken Gall, ha creato un nuovo materiale composito a base di idrogel che imita le proprietà fisiche e il comportamento del tessuto cartilagineo naturale.

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Soft and Strong as Natural Cartilage

La cartilagine naturale ispira la struttura del nuovo composito. L’idrogel consiste in una rete di nanofibre di cellulosa batterica (BC) incorporata in un idrogel a doppia rete fatta di poli (alcol vinilico) reticolato (PVA) e poli (2-acrilammido-2-metil-1-propanesulfonico sale sodico dell’acido) (PAMPS).

Le tre reti compenetranti lavorano insieme per fornire le proprietà biomeccaniche del materiale. La rete BC contribuisce alla resistenza alla trazione (analogamente al collagene nella cartilagine), mentre le reti PVA e PAMPS assicurano la ritenzione dell’acqua necessaria (59 wt%) e forniscono la dissipazione dell’energia viscoelastica, la forza di ripristino elastico (analogamente alla rete di glicosaminoglicani nella cartilagine) e la distribuzione uniforme dello stress attraverso la rete BC.

Idrogel composito con proprietà biomeccaniche superiori

Descrivendo la loro ricerca nella rivista Advanced Functional Materials, il Prof. Wiley e i collaboratori affermano che il nuovo idrogel biomimetico è il primo materiale ingegnerizzato che corrisponde alla forza e al modulo della cartilagine naturale sia in tensione che in compressione.

I test meccanici hanno dimostrato che, sotto compressione, il nuovo idrogel composito ha un modulo elastico simile alla cartilagine e mostra la stessa risposta meccanica in funzione del tempo. Sotto la sollecitazione di compressione di 1,43 MPa, il nuovo materiale ha esibito una deformazione inferiore al 5%. Per contestualizzare, la sollecitazione di compressione nell’articolazione del ginocchio di un uomo che cammina per 90 chili è di circa 2,5 MPa.

Alternativa durevole ai materiali tradizionali per la sostituzione della cartilagine

Al tempo stesso, il coefficiente di attrito del materiale è del 45% inferiore a quello della cartilagine e ha una resistenza all’usura 4.4 volte superiore alla resistenza all’usura rispetto agli idrogeli a base di PVA (attualmente utilizzati per la sostituzione della cartilagine), esibendo una resistenza alla fatica dopo 100.000 cicli di carico equivalente a quella della cartilagine naturale.

Per saperne di più sulle attrezzature per la caratterizzazione dei materiali

I tre costituenti del composito idrogel hanno dimostrato in precedenza di essere biocompatibili e i test iniziali di compatibilità suggeriscono che il materiale non è tossico per le cellule coltivate in laboratorio.

Passi verso applicazioni nel mondo reale

Come prossimo passo, il team di ricerca mira a progettare un impianto adatto a test in vivo negli animali. Prevedono che entro tre anni, il nuovo materiale di sostituzione della cartilagine sarà utilizzato nelle terapie commerciali come migliore alternativa ai trattamenti tradizionali di riparazione della cartilagine o agli interventi chirurgici di sostituzione del ginocchio.

Riferimenti e ulteriori letture

F. Yang et al., (2020) Un composito sintetico di idrogel con il comportamento meccanico e la durata della cartilagine. Materiali funzionali avanzati, 2003451. Disponibile presso: https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

R. A. Smith (2020) Dal laboratorio, il primo gel che imita la cartilagine e che è abbastanza forte per le ginocchia. www.today.duke.edu Disponibile a: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (Accesso il 14 luglio 2020).

M. Irving (2020) Un nuovo idrogel potrebbe funzionare bene come la vera cartilagine nelle sostituzioni del ginocchio. www.newatlas.com Disponibile a: https://newatlas.com/materials/tough-stretchy-hydrogel-knee-cartilage-replacement (Accesso il 14 luglio 2020).

M. V. La Roca (2020) Un nuovo idrogel può sostituire la cartilagine del ginocchio. www.thepatent.news Disponibile a: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Accessibile il 14 luglio 2020).

Cambridge Polymer Group (2020) Idrogeli portanti. www.campoly.com Disponibile presso: http://www.campoly.com/cpg-services/biomedical-materials/load-bearing-hydrogels/ (Accessibile il 14 luglio 2020).

A. R. Martín et al., (2019) Terapie emergenti per la rigenerazione della cartilagine nelle popolazioni di “ginocchio rosso” attualmente escluse. npj Regen Med 4, 12. Disponibile presso: https://doi.org/10.1038/s41536-019-0074-7

C. M. Beddoes et al., (2016) Hydrogels as a Replacement Material for Damaged Articular Hyaline Cartilage. Materiali (Basilea), 9, 443. Disponibile presso: https://doi.org/10.3390/ma9060443

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