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Una scoperta elettrica potrebbe rivoluzionare la chirurgia ossea

Ricercatori dell’UE hanno sviluppato materiali polimerici in grado di stimolare le cellule che formano le ossa e, potenzialmente, di rigenerare il tessuto circostante. La svolta si basa sulla scoperta che il minerale osseo è flexoelettrico, il che significa che può produrre elettricità in risposta a pressioni meccaniche.

Salute

Questa scoperta potrebbe portare allo sviluppo di una nuova generazione di innesti e protesi che reagiscono alla pressione del corpo, favorendo la rigenerazione ossea dopo l’intervento. La tecnica potrebbe anche potenzialmente ridurre la necessità di donatori di ossa, con conseguente riduzione sia dei costi medici che dei rischi.

Un materiale flessibile

«Le ossa presentano eccezionali proprietà di rimodellamento», spiegano Nathalie Barroca, borsista Marie Skłodowska-Curie di FLEXOBONEGRAFT, e Gustau Catalan, coordinatore del progetto, dell’Istituto catalano di nanoscienze e nanotecnologia (ICN2). «Le fratture guariscono, mentre gli impatti possono renderle più forti. Ma la mancanza di esercizio fisico (o la mancanza di gravità, come sperimentato nello spazio) può rendere le ossa più porose e più deboli». Con l’età, inoltre, le impressionanti capacità di adattamento delle ossa diminuiscono. Di fatto, l’osso è diventato il tessuto più trapiantato dopo il sangue, con oltre 1 milione di procedure all’anno effettuate solo in Europa. Con l’invecchiamento della popolazione, in Europa è probabile che si verifichi un aumento delle patologie ossee quali l’osteoporosi. «Si avverte chiaramente la necessità di nuovi trattamenti per le malattie muscoloscheletriche, e la ricerca nell’ambito della riparazione delle ossa è un campo fiorente», aggiunge Catalan.

Innovazioni biomediche

Il gruppo di Catalan all’ICN2 di Barcellona aveva già scoperto che il minerale osseo è flexoelettrico. La flexoelettricità (che letteralmente significa «elettricità di flessione») descrive la capacità di un materiale di produrre elettricità in risposta a deformazioni, il che è importante in quanto le nostre ossa sono costantemente sottoposte a pressioni meccaniche. Sulla scia del successo di questo studio iniziale finanziato dal CER, un’équipe composta dalla biologa Raquel Nuñez, da due fisici (Gustau Catalan e Fabian Vasquez) e dalla scienziata dei materiali Nathalie Barroca ha studiato alcuni degli effetti fisiologici della flexoelettricità sul rimodellamento osseo nell’ambito del progetto FLEXOBONEGRAFT. Il team ha scoperto che la flexoelettricità causa prima la morte degli osteociti adiacenti alle fratture ossee, per poi iniziare il protocollo di riparazione ossea. Successivamente, stimola le cellule che formano le ossa (dette osteoblasti) a secernere minerali ossei e a generare livelli più elevati di osteocalcina (una proteina legante il calcio). «Abbiamo constatato che la flexoelettricità apre così nuove prospettive per i trattamenti di rigenerazione ossea», afferma la Barroca. «Il passo successivo è stato quello di selezionare polimeri biocompatibili e biodegradabili approvati per uso medico che potessero essere utilizzati come materiali che imitano le ossa, per poi caratterizzarne le proprietà flexoelettriche». Per imitare ulteriormente la chimica delle ossa, la Barroca ha miscelato polimeri con nanoparticelle di idrossiapatite, il minerale osseo principale. Alcune composizioni sono state identificate come aventi lo stesso coefficiente flexoelettrico dell’osso, sufficiente a stimolare le cellule. Questa scoperta, di prossima pubblicazione, sarà utile per gli ingegneri biomedici che intendono incorporare la flexoelettricità come parametro di progettazione. «I materiali identificati sono stati utilizzati anche per creare progetti strutturali che subiscono micropiegature locali (e quindi generano flexoelettricità) in risposta a pressioni meccaniche simili a quelle del corpo», osserva Barroca. «Ciò è stato possibile stampando in 3D substrati dotati di microstrutture sovrapposte e cavità di dimensioni variabili. Il nostro obiettivo è anche quello di studiare l’effetto di tali compositi microtesturizzati sulle cellule ossee reali». I risultati del progetto si inseriscono nel contesto del crescente interesse per l’uso di biomateriali per scopi medici. I polimeri si trovano già nelle protesi ossee e come substrati per «guidare» l’attività rigenerativa delle cellule ossee. Tali substrati si degradano poi in sottoprodotti biocompatibili che possono essere trasformati dall’organismo.

Parole chiave

FLEXOBONEGRAFT, osso, biomateriali, compositi, polimeri, flexoelettricità, osteoporosi, calcio

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