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Un nuovo metodo basato su materiali intelligenti mostra i danni cellulari in tempo reale

Cosa succede alle cellule durante una lesione cerebrale traumatica o una cicatrizzazione cutanea? Alcuni scienziati sostenuti dall’UE hanno sviluppato un nuovo metodo sperimentale basato su polimeri morbidi magnetoattivi per studiare il comportamento delle cellule.

Ricerca di base
Salute

Le cellule biologiche sono continuamente sottoposte a sollecitazioni meccaniche da parte dei substrati circostanti, che ne influenzano il comportamento. Per studiare il comportamento cellulare, i ricercatori sostenuti dal progetto 4D-BIOMAP, finanziato dall’UE, hanno ora sviluppato un metodo innovativo basato su polimeri magnetoattivi. I risultati ottenuti sono stati pubblicati sulla rivista «Applied Materials Today». Il nuovo metodo sperimentale-computazionale consente ai ricercatori di controllare in tempo reale e in modo non invasivo le modalità di deformazione complesse nei substrati cellulari. Con questo sistema, è possibile valutare istantaneamente gli effetti meccanici sulle cellule e l’effetto su diverse risposte biologiche. Secondo lo studio, la stimolazione non invasiva è resa possibile dalla capacità dei materiali morbidi magnetoattivi simili alla gomma, chiamati elastomeri magnetoreologici (MRE, Magnetorheological Elastomer), di rispondere meccanicamente ai campi magnetici esterni. Gli MRE sono costituiti da una matrice polimerica morbida (polidimetilsilossano) contenente particelle magnetiche di dimensioni micron (polvere di ferro carbonile). Quando vengono sottoposte a un campo magnetico esterno, le particelle si magnetizzano e reagiscono cambiando la loro forma e/o rigidità.

L’analisi in tempo reale dei danni cellulari è possibile

Il sistema proposto apre la strada alla comprensione da parte degli scienziati dei processi meccanobiologici che si verificano durante gli stati di deformazione complessi e dinamici, come la lesione cerebrale traumatica, la cicatrizzazione patologica della pelle e il rimodellamento fibrotico del cuore durante l’infarto del miocardio. «Siamo riusciti a riprodurre le deformazioni locali che si verificano nel cervello in caso di impatto. Ciò potrebbe consentire di replicare questi casi in laboratorio, analizzando in tempo reale ciò che accade alle cellule e il modo in cui vengono danneggiate», ha spiegato in un comunicato stampa pubblicato su EurekAlert! il dottor Daniel García-González dell’Universidad Carlos III di Madrid, in Spagna, che ospita il progetto 4D-BIOMAP. «Abbiamo inoltre convalidato il sistema dimostrando la sua capacità di trasmettere forze alle cellule e di agire su di esse.» I ricercatori hanno progettato un sistema di imaging-stimolazione multicomponente che utilizza le proprietà multifunzionali degli MRE per controllare la deformazione meccanica dei substrati cellulari in modo non invasivo. Per prima cosa hanno prodotto diversi MRE con vari gradi di rigidità e intensità di accoppiamento magneto-meccanico. Dopo aver analizzato i meccanismi che regolano il comportamento dei materiali, il team ha sviluppato un quadro multifisico e multiscala in silico per guidare la configurazione della stimolazione sperimentale. Sono state poi dimostrate la versatilità e la vitalità del sistema attraverso la sua capacità di riprodurre scenari meccanici complessi, simulando modelli di deformazione locale nel tessuto cerebrale durante un impatto della testa, e la sua capacità di trasmettere forze meccaniche a sistemi cellulari (fibroblasti dermici umani). Gli autori riferiscono nello studio: «A differenza degli approcci precedenti…, noi permettiamo allo stesso tempo la stimolazione meccanica non invasiva (attraverso i campi magnetici), il controllo in tempo reale della stimolazione meccanica e le modalità di deformazione alternate (complesse) che controllano i cambiamenti locali sia nella magnitudo che nelle componenti principali della deformazione.» Il dottor González osserva nel comunicato stampa: «Con il supporto del modello computazionale, abbiamo utilizzato tutta questa scienza di base per progettare un sistema di attuazione intelligente che, abbinato a un microscopio sviluppato dal CER, ci permette di visualizzare la risposta cellulare in situ. In questo modo, abbiamo consolidato un quadro completo per stimolare i sistemi cellulari con materiali intelligenti magnetoattivi.» Il progetto quinquennale 4D-BIOMAP (Biomechanical Stimulation based on 4D Printed Magneto-Active Polymers) sta utilizzando potenti approcci di stampa per creare polimeri magnetoattivi e caratterizzarli in applicazioni critiche legate al funzionamento del sistema nervoso. Il progetto si concluderà a dicembre 2025. Per maggiori informazioni, consultare: 4D-BIOMAP project

Parole chiave

4D-BIOMAP, cellula, substrato cellulare, polimero magnetoattivo, stimolazione meccanica, elastomero magnetoreologico, cervello, materiali intelligenti

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