Biomateriali e nanomedicina

Focalizzando l’azione della medicina a livello nanometrico si possono ottenere risultati impensabili con le attuali metodologie e realizzare nanosistemi capaci di favorire la rigenerazione dei tessuti lesionati o delle ossa e persino dei nanosensori termici di legno biocompatibili, ultra precisi e super economici

Pubblicato il 28 dicembre 2015

Le nanotecnologie e i biomateriali sono fra le Key Enabling Technologies (KET) che la Commissione Europea considera strategiche per dare slancio all’economia del Vecchio Continente, innanzi tutto, per l’elevato know-how dei ricercatori europei in questi due ambiti e poi perché ad avere più successo nel loro sviluppo applicativo pare proprio che siano le piccole e medie imprese europee.

expertKET

Fig. 1 – L’European Technology Platform for NanoMedicine considera i biomateriali fra le tecnologie strategiche per le piccole e medie imprese europee

In proposito è stato attivato un gruppo di esperti denominato High-Level Expert Group on KET che ne promuove e ne osserva l’evoluzione anche in campo medicale dove si attendono i risultati più eclatanti per l’impatto che possono avere sul miglioramento della nostra qualità di vita. In un recente rapporto della European Technology Platform for NanoMedicine sono state recensite oltre 700 società attualmente impegnate nella nanomedicina che viene definita come uno dei settori con le maggiori potenzialità di crescita.

In effetti, la nanomedicina può essere considerata uno dei più importanti successi conseguiti dalle nanotecnologie che solo da pochi anni hanno permesso di realizzare sistemi funzionali con le dimensioni confrontabili rispetto a quelle delle molecole organiche e di conseguenza ingegnerizzare metodologie di diagnosi e cura a elevatissima risoluzione, capaci di focalizzare il loro campo d’azione solo su piccole parti dei tessuti e abbattere drasticamente qualsiasi sconfinamento collaterale.

I biomateriali sono figli delle nanotecnologie e oggi nei laboratori si cerca di approfondire le loro capacità di interazione con i tessuti organici, i microorganismi, le cellule e le molecole affinché siano, innanzi tutto, biologicamente inerti ovverosia non tossici e inoltre possano essere per quanto possibile rimovibili o riassorbibili senza danno per i tessuti che li ospitano.

nanoagh

Fig. 2 – Nanoaghi di silicio con punte di 50 nm possono iniettare molecole di acido nucleico nelle cellule senza lesionarle né infiammarle per indurle a rigenerare vasi sanguigni e tessuti lesionati

Invero, sono indispensabili per il supporto dei nanosistemi medicali formati in pratica da sensori e attuatori nano-elettro-meccanici (NEMS) capaci di interagire con l’ambiente biologico in cui si trovano a livello meccanico, fisico e chimico per monitorare alcuni parametri locali oppure per eseguire funzionalità curative ben precise in modo minimamente invasivo per l’organismo.

Nanoaghi che curano le lesioni  

Una ricerca effettuata da M. Stevens e C. Chiappini del Department of Bioengineering dell’Imperial College London di Londra e da E. Tasciotti ed E. De Rosa del Department of Nanomedicine dell’Houston Methodist Research Institute di Houston ha portato allo sviluppo di una tecnologia che consente di ricostruire i vasi sanguigni grazie a opportuni aghi nanometrici che stimolano la produzione delle molecole di DNA occorrenti a tal scopo direttamente dove servono.

La totale biocompatibilità di questa tecnica permetterebbe di pensionare le attuali tecniche di rigenerazione del DNA o dell’RNA considerate azzardate perché poco efficienti e non prive di effetti collaterali. Questo perché innanzi tutto si usano aghi con sezione troppo grande ed è ormai dimostrato che se il diametro è attorno ai 500 nm la membrana protettiva delle cellule viene irrimediabilmente danneggiata e poi perché così si iniettano quantità di DNA eccessive che vengono distrutte dal comparto endo-lisosomiale preposto a proteggere la cellula dalle sostanze estranee.

nanoss

Fig. 3 – Il gel di nanoparticelle ottenuto mescolando alcuni minerali ai comuni nanosilicati può essere applicato direttamente sulle ossa per stimolare le cellule staminali a rigenerare i tessuti ossei senza bisogno dei fattori di crescita

La soluzione proposta supera queste problematiche perché mira a stimolare le cellule a produrre nuove molecole senza infastidire i lisosomi ed è già stata sperimentata con successo sui topi. In pratica, applicando sui muscoli di una zona lesionata una garza con dei nanoaghi molto piccoli e biocompatibili si può introdurre nelle cellule senza danneggiare né infiammare in alcun modo la loro membrana protettiva piccole quantità del DNA di un fattore di crescita che vanno a stimolare la produzione dei tessuti dei vasi sanguigni e perciò di conseguenza la rigenerazione dei tessuti lesionati.

I ricercatori hanno usato la deposizione chimica da vapore (CVD) per impiantare uno strato di nitruro di silicio con porosità fino al 70% sopra su un substrato di silicio di 8×8 mm2 e poi vi hanno disegnato i nanoaghi con un’accurata quanto semplice fotolitografia. Quindi, hanno scolpito i nanoaghi rimuovendo chimicamente il materiale intorno e liberando delle colonnine cuneiformi alte 5 µm che presentano un diametro di 600 nm alla base e di 50 nm all’apice che ne costituisce la punta cui spetta attraversare la membrana protettiva delle cellule.

Applicando una forza complessiva di 7 grammi o 68 mN ciascun nanoago incide la membrana con una forza di 4,25 nN che è maggiore dei 2 nN minimi necessari ma è notevolmente inferiore ai 260 nN che possono causare danni. Essendo porosi i nanoaghi possono trasportare le molecole del fattore di crescita che pertanto sono introdotte nelle cellule dove attivano la generazione delle nuove cellule necessarie per formare i nuovi vasi sanguigni.

senslegn

Fig. 4 – Mescolando ai nanotubi di carbonio una polvere di pectine prese dalle cortecce delle piante si ottiene un gel legnoso che genera una corrente ionica proporzionale alla temperatura ambiente con elevatissima sensibilità e basso costo

Le piccolissime dimensioni degli aghi sono tollerate molto bene e non solo le cellule non evidenziano contraccolpi nelle loro attività vitali ma modificano il proprio comportamento in modo naturale senza controindicazioni né fastidi muscolari. Oltre ad abbattere i rischi, rispetto alle attuali tecniche d’iniezione questa metodologia offre risultati molto promettenti perché consente una velocità di ricostruzione dei tessuti lesionati sei volte superiore. È evidente che se sperimentata ulteriormente potrebbe consentire di sviluppare tecniche specifiche per la rigenerazione di tutti i tipi di tessuti organici lesionati.

Un nanogel per la ricrescita ossea  

Un gruppo di ricercatori guidato dal prof. A. Geharwar del Department of Biomedical Engineering della Texas A&M University ha sviluppato un biomateriale che consente di attivare le cellule staminali per favorire la formazione ossea e permettere un trattamento più efficace non solo delle lesioni ossee e delle fratture ma anche dei difetti congeniti. Questo risultato potrebbe cambiare il modo in cui i medici trattano le ossa fratturate e in particolar modo le ossa di coloro che hanno difficoltà nella guarigione e perciò richiedono tecniche di innesto osseo piuttosto complesse e costose.

In pratica, i ricercatori hanno realizzato un gel di nanoparticelle capace di aiutare la crescita ossea con un meccanismo di stimolazione che non necessita dell’iniezione delle proteine tipicamente note come fattori di crescita ed è perciò un “Growth-Factor-Free Approach”. Le molecole di acido nucleico con funzioni di fattori di crescita, infatti, occorrono in grandi quantità per ottenere buoni risultati e ciò significa che la loro azione finisce inevitabilmente per colpire anche altre cellule che possono venirne danneggiate.

La soluzione sperimentata risolve questa problematica perché sfrutta una miscela di minerali biocompatibili in grado di indurre la differenziazione delle cellule staminali finalizzate alla rigenerazione del tessuto osseo. I minerali scelti a tal scopo dopo lunghe sperimentazioni sono l’acido ortosilicico, il magnesio e il litio che vengono mescolati insieme a comuni nanosilicati ossia a nanoparticelle di silicio e ossigeno che servono a legarli all’interno di un idrogel a base di collagene dello stesso tipo di quelli tipicamente usati in molte applicazioni biomediche grazie alla loro preziosa compatibilità biologica con i tessuti organici.

Questo gel offre caratteristiche inedite come per esempio la degradabilità nel tempo finalizzata a compiere l’azione curativa che termina gradualmente man mano che viene sostituito dal tessuto osseo rigenerato e può di conseguenza essere smaltito senza ripercussioni. Le prime sperimentazioni effettuate dimostrano che questo gel accelera di tre volte l’attività della fosfatasi alcalina che è un buon indicatore della formazione ossea perché ne presiede l’avvio del processo noto anche come osteogenesi. Inoltre, questo succede perché il gel induce le cellule staminali a differenziarsi in cellule ossee e ciò viene confermato dal quadruplicamento del fosfato di calcio che è un componente fondamentale del tessuto osseo.

Essendo totalmente bioinerte e riassorbibile questo gel può essere applicato su tutte le ossa e soprattutto in occasione degli interventi chirurgici d’emergenza per favorire la rigenerazione dei tessuti ossei ma il team texano è attualmente impegnato a sperimentare la possibilità di utilizzarne opportune varianti anche per aiutare la ricostruzione di altri tipi di tessuti organici.

Nanosensori termici di legno 

Un lavoro svolto congiuntamente da R. Di Giacomo e Chiara Daraio del Department of Mechanical and Process Engineering dello Swiss Federal Institute of Technology di Zurigo (ETH – D-MAVT) e da B. Maresca della Divisione di Biomedicina dell’Università di Salerno ha portato alla sintesi di un biomateriale composto da cellule vegetali inserite in una maglia di nanotubi di carbonio che si caratterizza per una risposta termica particolarmente preziosa per fabbricare dei sensori termici biocompatibili con una sensibilità centinaia di volte superiore a quella dei migliori sensori a infrarossi.

Invero, questi ultimi hanno una resistenza intrinseca con un coefficiente di temperatura ambiente tipico di circa -6%/K che li rende inefficaci nel rivelare i piccoli e repentini cambiamenti termici a meno che non si utilizzino materiali pregiati che lo moltiplicano di due ordini di grandezza ma inevitabilmente ne alzano anche il costo.

La soluzione concepita a Zurigo consente di ottenere prestazioni elevate a un costo competitivo anche per l’elettronica consumer e con in più il valore aggiunto della totale biocompatibilità che ne permette l’uso nei sistemi medicali indossabili. I ricercatori hanno sfruttato un fenomeno naturale delle piante che consiste nel rispondere all’aumento della temperatura ambientale con il rilascio di ioni di calcio conduttivi da parte delle molecole polimeriche di pectina tipicamente abbondanti soprattutto nelle loro pareti.

Questi ioni riescono a creare una corrente elettrica in grado di attraversare i tessuti della pianta facendosi trasportare dall’acqua che li impregna ma questo fenomeno è osservabile solamente se i tessuti delle cortecce sono sulla pianta perché se li si stacca la corrente ionica muore insieme ai tessuti. L’idea di partenza della sperimentazione consisteva proprio nel prolungare l’interessante fenomeno introducendo un adeguato supporto conduttivo poroso e stabile.

Perciò sono stati presi dei tessuti dalle pareti della pianta del tabacco e dopo una preliminare polverizzazione sono stati mescolati in soluzione con dei nanotubi di carbonio osservando che i due tipi di particelle finiscono per formare un gel omogeneo con una rete strutturale di nanotubi di carbonio dentro i quali ci sono le cellule di corteccia di tabacco ricche di pectina.

Asciugando il gel rimane un composto legnoso denso e leggermente elastico dove la pectina genera ioni metallici in funzione della temperatura ambiente con una resistenza che mostra un coefficiente di temperatura di ben -1730%/K che viene conservato stabilmente indipendentemente dalle condizioni termiche ambientali.

Questa proprietà ne fa un ottimo elemento ultra sensibile per nanosensori termici economici e biocompatibili ideali a bordo dei nanosistemi medicali. Attualmente i ricercatori stanno cercando delle alternative organiche ai nanotubi di carbonio per rendere questi biosensori riassorbibili ed eliminabili dall’organismo.

Lucio Pellizzari



Contenuti correlati

Scopri le novità scelte per te x