Un biomateriale che può imitare determinati comportamenti all’interno dei tessuti biologici potrebbe far avanzare la medicina rigenerativa, la modellizzazione della malattia, la robotica morbida e altro ancora, secondo i ricercatori di Penn State.
I materiali creati fino a questo punto per imitare tessuti e matrici extracellulari (ECM) – le impalcature biologiche del corpo di proteine e molecole che circondano e supportano tessuti e cellule – hanno tutti limiti che ostacolano le loro applicazioni pratiche, secondo il team. Per superare alcune di queste limitazioni, i ricercatori hanno sviluppato un materiale “vivente” a base biologica che comprende le proprietà di auto-guarigione e imita la risposta biologica degli ECM allo stress meccanico.
Hanno pubblicato i loro risultati in Orizzonti di materialidove la ricerca è stata anche descritta sulla copertina del diario.
“Abbiamo sviluppato un materiale senza cellule-o acellulare-che imita dinamicamente il comportamento degli ECM, che sono blocchi chiave dei tessuti dei mammiferi che sono cruciali per la struttura dei tessuti e le funzioni cellulari”, ha affermato l’autore corrispondente Amir Sheikhi, professore associato di professore associato Ingegneria chimica e Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Primo Chair Chair in Biomaterials and Rigenerative Engineering.
Secondo i ricercatori, le precedenti iterazioni del loro materiale-un idrogel o una rete polimerica ricca di acqua-erano sintetiche e mancavano della combinazione desiderata di reattività meccanica e mimetica biologica di ECM.
“In particolare, questi materiali devono replicare la cessione non lineare, che è quando le reti ECM si irrigidiscono sotto la deformazione causate da forze fisiche esercitate da cellule o stimoli esterni”, ha detto Sheikhi, spiegando la cessione non lineare è importante per fornire supporto strutturale e facilitare le cellule segnalazione. “I materiali devono anche replicare le proprietà di auto-guarigione necessarie per la struttura dei tessuti e la sopravvivenza. I precedenti idrogel sintetici avevano difficoltà nel bilanciare la complessità dei materiali, la biocompatibilità e il mimetismo meccanico degli ECM.”
Il team ha affrontato queste limitazioni sviluppando idrogel viventi nanocompositi acellulari (Livgels) realizzati con nanoparticelle “pelose”. Le nanoparticelle sono composte da nanocristalli, o “nlinker”, con catene di cellulosa disordinate o “peli”, alle estremità. Questi peli introducono l’anisotropia, il che significa che i nlinker hanno proprietà diverse a seconda del loro orientamento direzionale e consentono il legame dinamico con le reti di biopolimero. In questo caso, le nanoparticelle legate a una matrice biopolimerica di alginato modificato, che è un polisaccaride naturale che si trova nelle alghe marroni.
“Questi nlinker formano legami dinamici all’interno della matrice che consentono il comportamento di sollecitazione della deformazione, ovvero imitare la risposta dell’ECM allo stress meccanico; e proprietà auto-guari, che ripristinano l’integrità dopo il danno”, ha detto Sheikhi, osservando che i ricercatori hanno usato i test reologici, Il che misura come il materiale si comporta sotto vari fattori di stress, per misurare la rapidità con cui i Livgel hanno recuperato la loro struttura dopo una tensione elevata. “Questo approccio di progettazione ha permesso di mettere a punto delle proprietà meccaniche del materiale di abbinare quelle degli ECM naturali.”
Criticamente, ha affermato Sheikhi, questo materiale è interamente realizzato in materiale biologico ed evita polimeri sintetici con potenziali problemi di biocompatibilità. Oltre a mitigare i limiti dei materiali precedentemente sviluppati, i livgel raggiungono i doppi tratti della meccanica non lineare e dell’auto-guarigione senza sacrificare l’integrità strutturale. I Nlinker facilitano in modo specifico le interazioni dinamiche che consentono un controllo preciso delle proprietà di rigidità e di deformazione. Nel loro insieme, l’approccio del design converte l’idrogel statica in massa a idrogel dinamici che imitano da vicino gli ECM.
Le potenziali applicazioni includono impalcature per la riparazione e la rigenerazione dei tessuti all’interno della medicina rigenerativa, simulando il comportamento dei tessuti per i test antidroga e la creazione di ambienti realistici per lo studio della progressione della malattia. I ricercatori hanno affermato che potrebbe essere utilizzato anche per idrogel personalizzabili in bioprinting 3D o per lo sviluppo di robotica morbida con proprietà meccaniche adattabili.
“I nostri prossimi passi includono l’ottimizzazione dei livgel per specifici tipi di tessuto, esplorare applicazioni in vivo per la medicina rigenerativa, integrare i livgel con piattaforme di bioprinting 3D e studiare il potenziale in dispositivi indossabili o impiantabili dinamici”, ha affermato Sheikhi.
Roya Koshani, studiosa post-dottorato ingegneristica chimica presso Penn State, e Sina Kheirabadi, candidata a dottorato in ingegneria chimica presso Penn State, erano coautori sul giornale. Sheikhi è anche affiliato con i dipartimenti di ingegneria biomedica, della chimica e della neurochirurgia e con gli Huck Institutes of the Life Sciences.
Il supporto per questa ricerca è stato fornito da Penn State, tra cui: The Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Early Career Chair; il Centro di convergenza per i sistemi di materiale multifunzionale vivente e il cluster di eccellenza vivente, sistemi di materiali adattivi e autonomi di energia-energia che vivono materiali multifunzionali di ricerca collaborativa Programma di concessione di semi; l’Istituto di ricerca sui materiali; E il College of Engineering Materials contano a livello umano Grant di semi.
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