Credito di immagine: Joseph Xu, ingegneria del Michigan
ANN ARBOR—La forza liquida ineguagliabile di cartilagine, che è circa l’acqua di 80 per cento, resiste ad alcune delle forze più dure sui nostri corpi.
I materiali sintetici non potevano abbinarlo-fino a quando “Kevlartilage” è stato sviluppato dai ricercatori dell’Università del Michigan e dell’Università di Jiangnan.
“Sappiamo che siamo costituiti principalmente di acqua—tutta la vita fa—e tuttavia i nostri corpi hanno un sacco di stabilità strutturale,” ha detto Nicholas Kotov, il Joseph B. e Florence V. Cejka Professore di Ingegneria presso U-M, che ha guidato lo studio. “Capire la cartilagine è capire come le forme di vita possono combinare proprietà che a volte sono impensabili insieme.”
Molte persone con lesioni articolari trarrebbero beneficio da un buon sostituto per la cartilagine, come i pazienti 850,000 negli Stati Uniti che subiscono interventi chirurgici rimuovendo o sostituendo la cartilagine nel ginocchio.
Mentre altre varietà di cartilagine sintetica sono già in fase di sperimentazione clinica, questi materiali rientrano in due campi che scelgono tra gli attributi della cartilagine, incapaci di ottenere quell’improbabile combinazione di forza e contenuto di acqua.
Gli altri materiali sintetici che imitano le proprietà fisiche della cartilagine non contengono abbastanza acqua per trasportare i nutrienti di cui le cellule hanno bisogno per prosperare, ha detto Kotov.
Nel frattempo, gli idrogel—che incorporano l’acqua in una rete di molecole lunghe e flessibili—possono essere progettati con abbastanza acqua per sostenere la crescita delle cellule dei condrociti che costruiscono la cartilagine naturale. Eppure quegli idrogel non sono particolarmente forti. Strappano sotto ceppi una frazione di ciò che la cartilagine può gestire.
Come la cartilagine naturale, la cartilagine artificiale resiste agli sforzi liberando l’acqua e può più successivamente recuperare assorbendo l’acqua. Credito immagine: Joseph Xu, Michigan Engineering
Il nuovo idrogel a base di Kevlar ricrea la magia della cartilagine combinando una rete di resistenti nanofibre di Kevlar-le fibre “aramidiche” meglio conosciute per la produzione di giubbotti antiproiettile—con un materiale comunemente usato nelle sostituzioni della cartilagine di idrogel, chiamato alcool polivinilico o PVA.
Nella cartilagine naturale, la rete di proteine e altre biomolecole ottiene la sua forza resistendo al flusso d’acqua tra le sue camere. La pressione dell’acqua riconfigura la rete, permettendole di deformarsi senza rompersi. L’acqua viene rilasciata nel processo e la rete si recupera assorbendo l’acqua in seguito.
Questo meccanismo consente alle articolazioni ad alto impatto, come le ginocchia, di resistere alle forze punitive. Correre ripetutamente martella la cartilagine tra le ossa, forzando l’acqua e rendendo la cartilagine più flessibile di conseguenza. Quindi, quando il corridore riposa, la cartilagine assorbe acqua in modo che fornisca nuovamente una forte resistenza alla compressione.
Un’immagine al microscopio elettronico della matrice cartilaginea sintetica. Credito di immagine: Lizhi Xu, laboratorio di Kotov
La cartilagine sintetica si vanta lo stesso meccanismo, rilasciante l’acqua sotto sforzo e più successivamente recuperante assorbendo l’acqua come una spugna. Le nanofibre aramidiche costruiscono la struttura del materiale, mentre il PVA intrappola l’acqua all’interno della rete quando il materiale è esposto a stiramento o compressione. Anche le versioni del materiale che erano al 92% di acqua erano paragonabili in forza alla cartilagine, con la versione al 70% che raggiungeva la resilienza della gomma.
Poiché le nanofibre aramidiche e il PVA non danneggiano le cellule adiacenti, Kotov prevede che questa cartilagine sintetica possa essere un impianto adatto per alcune situazioni, come le parti più profonde del ginocchio. Si chiede anche se i condrociti potrebbero essere in grado di prendere residenza all’interno della rete sintetica per produrre una cartilagine ibrida.
Ma le sue potenziali applicazioni non si limitano alla cartilagine. Sospetta che reti simili, con proporzioni diverse di nanofibre aramidiche, PVA e acqua, possano essere in grado di sostituire altri tessuti molli.
” Abbiamo molte membrane nel corpo che richiedono le stesse proprietà. Vorrei valutare lo spazio”, ha detto Kotov. “Parlerò con i medici di dove si trova il bisogno acuto e dove questa intersezione delle proprietà ci permetterà di fare i migliori progressi e il più grande impatto.”
Kotov è membro del Biointerfaces Institute,che fornisce spazio condiviso per i ricercatori delle scuole di ingegneria e medicina di U-M. È anche professore di ingegneria chimica, scienza e ingegneria dei materiali e scienza e ingegneria macromolecolare.
Lo studio, recentemente pubblicato su Advanced Materials, è intitolato “Compositi biomimetici ricchi di acqua con rete di nanofiberi auto-organizzanti abiotici.”E’ stato sostenuto dalla National Science Foundation, con ulteriori finanziamenti da parte del Dipartimento della Difesa. L’università sta cercando la protezione dei brevetti e partner per portare la tecnologia sul mercato.