Realizzato in laboratorio un composito idrogel cartilagineo sintetico per le ginocchia con una forza e una resistenza all'usura maggiori della cartilagine
Antidolorifici da banco, terapia fisica, iniezioni di steroidi - alcune persone hanno provato di tutto e stanno ancora affrontando dolore al ginocchio. Spesso il dolore al ginocchio deriva dalla progressiva usura della cartilagine nota come osteoartrite, che colpisce quasi un adulto su sei - 867 milioni di persone (1) - in tutto il mondo. Per coloro che vogliono evitare di sostituire l'intera articolazione del ginocchio, presto potrebbe esserci un'altra opzione che potrebbe aiutare i pazienti a rimettersi in piedi velocemente, senza dolore e rimanere così.
In un articolo, pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials (2), si descrive che un team guidato dalla Duke University afferma di aver creato il primo sostituto della cartilagine a base di gel che è ancora più forte e durevole della struttura reale.
I test meccanici rivelano che l'idrogel del team Duke, un materiale composto da polimeri che assorbono l'acqua, può essere premuto e tirato con più forza della cartilagine naturale ed è tre volte più resistente all'usura.
Gli impianti realizzati con il materiale sono attualmente in fase di sviluppo da Sparta Biomedical e testati su pecore. I ricercatori si stanno preparando per iniziare le sperimentazioni cliniche sugli esseri umani il prossimo anno.
«Se tutto va secondo i piani, la sperimentazione clinica dovrebbe iniziare nell'aprile 2023», ha affermato il dottor Benjamin J Wiley (3), il professore di chimica della Duke, che ha guidato la ricerca insieme al professore di ingegneria meccanica e scienze dei materiali della Duke, Kenneth A Gall. (4)
Per realizzare questo materiale, il team di Duke ha preso sottili fogli di fibre di cellulosa e li ha infusi con un polimero chiamato alcol polivinilico, una sostanza appiccicosa viscosa costituita da catene filanti di molecole ripetute, per formare un gel.
«Le fibre di cellulosa agiscono come le fibre di collagene nella cartilagine naturale», ha detto Wiley: «danno forza al gel quando viene allungato. L'alcol polivinilico lo aiuta a tornare alla sua forma originale. Il risultato è un materiale simile alla gelatina, il 60% di acqua, che è elastico ma sorprendentemente forte».
La cartilagine naturale può sopportare da 2630 a 3855 chilogrammi per pollice rispettivamente di strappi e schiacciamenti, prima di raggiungere il punto di rottura. La loro versione realizzata in laboratorio è il primo idrogel in grado di gestire ancora di più. È il 26% più forte della cartilagine naturale in tensione, qualcosa come sospendere sette pianoforti a coda da un portachiavi e il 66% più forte in compressione, il che sarebbe come parcheggiare un'auto su un francobollo.
«È davvero fuori scala in termini di forza dell'idrogel», ha detto Wiley.
Il team ha già realizzato idrogel con proprietà notevoli. Nel 2020, hanno riferito di aver creato il primo idrogel abbastanza forte per le ginocchia.
L'uso pratico del gel come sostituto della cartilagine, tuttavia, ha presentato ulteriori sfide di progettazione. Uno era raggiungere i limiti superiori della forza della cartilagine. Attività come saltare, fare un affondo o salire le scale esercitano una pressione di circa 10 Megapascal sulla cartilagine del ginocchio, o circa 635 chilogrammi per pollice quadrato. Ma il tessuto può impiegare fino a quattro volte prima di rompersi.
«Sapevamo che c'era spazio per miglioramenti», ha detto Wiley.
In passato, i ricercatori che tentavano di creare idrogel più forti utilizzavano un processo di congelamento-scongelamento per produrre cristalli all'interno del gel, che scacciano l'acqua e aiutano a tenere insieme le catene polimeriche. Nel nuovo studio, invece di congelare e scongelare l'idrogel, i ricercatori hanno utilizzato un trattamento termico chiamato ricottura per convincere ancora più cristalli a formarsi all'interno della rete polimerica.
Aumentando il contenuto di cristalli, i ricercatori hanno creato un gel in grado di resistere a uno stress cinque volte maggiore dovuto alla trazione e quasi il doppio alla spremitura rispetto ai metodi di congelamento-scongelamento.
La maggiore resistenza del gel ricotto ha anche aiutato a risolvere una seconda sfida progettuale: fissarlo all'articolazione e farlo rimanere fermo.
La cartilagine forma uno strato sottile che copre le estremità delle ossa in modo che non si sfreghino l'una contro l'altra. Studi precedenti non sono stati in grado di attaccare gli idrogel direttamente all'osso o alla cartilagine con una forza sufficiente per evitare che si allentino o scivolino via. Quindi il team di Duke ha escogitato un approccio diverso.
Il loro metodo di fissaggio prevede la cementazione e il bloccaggio dell'idrogel su una base in titanio. Questo viene quindi pressato e ancorato in un foro dove un tempo si trovava la cartilagine danneggiata. I test mostrano che il design rimane fissato il 68% più saldamente rispetto alla cartilagine naturale sull'osso.
«Un'altra preoccupazione per le protesi di ginocchio è l'usura nel tempo, sia dell'impianto stesso che della cartilagine opposta», ha detto Wiley.
Altri ricercatori hanno provato a sostituire la cartilagine danneggiata con protesi al ginocchio in metallo o polietilene, ma poiché questi materiali sono più rigidi della cartilagine possono sfregare contro altre parti del ginocchio.
Nei test di usura, i ricercatori hanno preso la cartilagine artificiale e la cartilagine naturale e le hanno fatte ruotare l'una contro l'altra un milione di volte, con una pressione simile a quella che subisce il ginocchio durante la deambulazione. Usando una tecnica di scansione a raggi X ad alta risoluzione chiamata tomografia microcomputerizzata (micro-CT), gli scienziati hanno scoperto che la superficie della loro versione realizzata in laboratorio resisteva tre volte meglio di quella reale. Tuttavia, poiché l'idrogel imita la natura liscia, scivolosa e morbida della cartilagine reale, protegge le altre superfici articolari dall'attrito mentre scivolano contro l'impianto.
«La cartilagine naturale è una sostanza straordinariamente resistente. Ma una volta danneggiata, ha una capacità di guarigione limitata perché non ha vasi sanguigni», ha detto Wiley.
Negli Stati Uniti, l'artrosi è due volte più comune oggi rispetto a un secolo fa. La chirurgia è un'opzione quando i trattamenti conservativi falliscono. Nel corso dei decenni i chirurghi hanno sviluppato una serie di approcci minimamente invasivi, come la rimozione della cartilagine allentata, la creazione di fori per stimolare una nuova crescita o il trapianto di cartilagine sana da un donatore. Ma tutti questi metodi richiedono mesi di riabilitazione e una certa percentuale fallisce nel tempo.
Il dottor Benjamin J Wiley spiega: «Generalmente considerata l'ultima risorsa, la sostituzione totale del ginocchio è un modo collaudato per alleviare il dolore. Ma neanche le articolazioni artificiali durano per sempre. In particolare per i pazienti più giovani che vogliono evitare un intervento chirurgico importante per un dispositivo che dovrà solo essere sostituito di nuovo in futuro non ci sono opzioni ottimali. Penso che questo sarà un cambiamento drammatico nel trattamento delle persone in questa fase».
Questo lavoro è stato sostenuto in parte da Sparta Biomedical e dalla Shared Materials Instrumentation Facility della Duke University. Wiley e Gall sono azionisti di Sparta Biomedical.
Hanno collaborato alla stesura dell'articolo “A Synthetic Hydrogel Composite With a Strength and Wear Resistance Greater Than Cartilage”: Jiacheng Zhao, Huayu Tong, Alina Kirillova, William Koshut, Andrew Malek, Natasha Brigham, Matthew Becker, Ken Gall e Benjamin Wiley.
Riferimenti:
(2) A Synthetic Hydrogel Composite with a Strength and Wear Resistance Greater than Cartilage
(3) Benjamin J Wiley
(4) Kenneth A Gall
Descrizione foto: I ricercatori della Duke hanno sviluppato un sostituto della cartilagine a base di gel per alleviare le ginocchia doloranti, che è ancora più forte e durevole della cosa reale. Gli studi clinici inizieranno il prossimo anno. - Credit: Benjamin Wiley, Duke University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Stiff, Achy Knees? Lab-Made Cartilage Gel Outperforms the Real Thing