Il primo gel che imita la cartilagine


Il primo gel che imita la cartilagine

I ricercatori della Duke University hanno sviluppato la prima cartilagine sintetica a base di gel avente la medesima forza di quella originale. Un disco di dimensioni di un quarto del materiale può sopportare il peso di un kettlebell da 45 chilogrammi senza strapparsi o perdere la sua forma.

Lo strato sottile e scivoloso di cartilagine tra le ossa del ginocchio è abbastanza forte da resistere al peso di una persona, ma abbastanza morbido ed elastico da attutire l'articolazione dagli impatti, che subisce per decenni. Quella combinazione di sostanza morbida ma forte è stata difficile da riprodurre in laboratorio. Ma ora, i ricercatori della Duke University affermano di aver creato un gel sperimentale che è il primo ad abbinare la forza e la durata con le medesime prestazioni della cartilagine naturale.

Questo nuovo materiale molto resistente può apparire come un lontano cugino di Jell-O. È composto per il 60% da acqua, ma un singolo disco delle dimensioni di un quarto può sopportare il peso di un kettlebell da 45 chilogrammi senza strappare o perdere forma. I suoi sviluppatori affermano che è il primo idrogel - materiali realizzati con polimeri che assorbono l'acqua - in grado di resistere a tiri e carichi pesanti, nonché alla cartilagine umana, senza logorarsi nel tempo.

Guidati dagli scienziati della chimica e dei materiali Benjamin J. Wiley (1) e Ken Gall, (2) la ricerca (3) potrebbe un giorno offrire alle persone con problemi al ginocchio una sostituzione della cartilagine danneggiata e un'alternativa ai 600.000 interventi di sostituzione del ginocchio eseguiti negli Stati Uniti ogni anno.

La cartilagine è un tessuto liscio e gommoso che copre le estremità delle ossa e consente loro di scivolare uniformemente l'uno contro l'altro. Essa aiuta ad assorbire un'enorme quantità di forza ad ogni passo, in genere tra due e tre volte il peso corporeo. (4)

Per i pazienti che vogliono evitare o rimandare una sostituzione del ginocchio che può durare solo 20 anni, la cartilagine artificiale può dare un valido aiuto. Gli idrogel sono stati esplorati per l'uso come sostituti della cartilagine dagli anni '70 e sono utilizzati in lenti a contatto morbide e pannolini usa e getta. I ricercatori sono attratti da questi materiali a causa delle loro proprietà scivolose, che assorbono gli urti e perché non danneggiano le cellule vicine. Ma fino ad ora si sono rivelati troppo deboli per essere utilizzati in articolazioni portanti come il ginocchio.

Il team di Duke ha deciso di cambiarlo. «Abbiamo deciso di realizzare il primo idrogel che ha le proprietà meccaniche della cartilagine», ha dichiarato Benjamin J. Wiley, professore di chimica alla Duke.

Il nuovo idrogel è costituito da due reti polimeriche intrecciate: una fatta di fili elastici simili a spaghetti e l'altra più rigida a cesta, con cariche negative lungo la loro lunghezza. Questi sono rinforzati con un terzo ingrediente, una maglia di fibre di cellulosa.

Quando il gel viene allungato, le fibre di cellulosa resistono alla trazione e aiutano a tenere insieme il materiale. E quando viene schiacciato, le cariche negative lungo le rigide catene polimeriche si respingono e si attaccano all'acqua, aiutandola a tornare alla sua forma originale.

«Solo questa combinazione di tutti e tre i componenti è sia flessibile che rigida e quindi forte», ha detto il co-autore Feichen Yang, (5) che ha conseguito un dottorato in chimica nel laboratorio di Wiley.

Quando i ricercatori hanno confrontato il materiale risultante con altri idrogel, il loro è stato l'unico forte quanto la cartilagine sia sotto forma di schiacciamento che di stiramento.

In un esperimento, il team lo ha sottoposto a 100.000 cicli di estrazione ripetuta e il materiale ha resistito allo stesso modo del titanio poroso utilizzato per gli impianti ossei. «Ha superato le nostre aspettative iniziali», ha affermato il co-autore William Koshut, (6) uno studente di dottorato del laboratorio del dottor Ken Gall.

Dopo aver sfregato il nuovo materiale contro la cartilagine naturale un milione di volte, i ricercatori hanno scoperto che la sua superficie autolubrificante liscia e scivolosa è resistente all'usura come la cartilagine reale e quattro volte più resistente all'usura rispetto agli impianti di cartilagine sintetica attualmente approvati dalla FDA per l'uso nell'alluce.

Spostare il materiale dal laboratorio alla clinica richiederebbe almeno altri tre anni, ha detto il dottor Wiley. I primi test di sicurezza suggeriscono che il materiale non è tossico per le cellule coltivate in laboratorio. Il prossimo passo sarà progettare un impianto da testare sugli ovini.

Il team afferma che la ricerca potrebbe offrire nuove opzioni per le persone con dolore al ginocchio e riportarle a fare le cose che amano senza i lunghi tempi di recupero e la durata limitata associati alla riparazione della cartilagine o alla chirurgia di sostituzione del ginocchio.

Questo lavoro è stato supportato da: Sparta Biomedical, Paul M. Gross Fellowship, Marcus Hobbes Fellowship e Shared Materials Instrumentation Facility di Duke.

CITAZIONE: "A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage", Feichen Yang, Jiacheng Zhao, William J. Koshut, John Watt, Jonathan Riboh, Ken Gall, Benjamin J. Wiley. Materiali funzionali avanzati, 26 giugno 2020. (7)

Riferimenti:

(1) Benjamin J. Wiley

(2) Ken Gall

(3) Early View

(4) Knee joint forces: prediction, measurement, and significance

(5) Feichen Yang

(6) William Koshut

(7) A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage

Descrizione foto: I ricercatori della Duke University hanno sviluppato la prima cartilagine sintetica a base di gel avente la medesima forza di quella originale. Un disco di dimensioni di un quarto del materiale può sopportare il peso di un kettlebell da 45 chilogrammi senza strapparsi o perdere la sua forma. - Credit: Feichen Yang, Duke University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: From the Lab, the First Cartilage-Mimicking Gel That’s Strong Enough for Knees

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