Gli ingegneri dell'ETH di Zurigo hanno scoperto che i tessuti biologici molli si deformano in modo molto diverso sotto tensione rispetto a quanto precedentemente ipotizzato. I loro risultati sono già stati utilizzati in progetti di ricerca medica.

Nel grembo materno, il nascituro galleggia in un sacco amniotico pieno di liquido amniotico. Lo sviluppo regolare del bambino dipende dal fatto che questo sacco rimanga intatto. Però, è possibile che il contenitore protettivo si strappi a seguito di interventi come l'amniocentesi o la chirurgia fetale – o anche spontaneamente.

Il tessuto allungato perde volume

Prendendo tali problemi medici come punto di partenza, ricercatori del gruppo guidato da Edoardo Mazza, Professore presso l'Istituto per i sistemi meccanici dell'ETH di Zurigo, studiato come parti del sacco amniotico, e altri tessuti biologici molli, deformarsi sotto un carico di trazione. Una delle loro scoperte più importanti - e sorprendenti - è che il tessuto perde massa mentre si allunga, con un allungamento fisiologico del 10 per cento che porta a una perdita media di circa il 50 per cento.

"Ciò contraddice il paradigma prevalente secondo cui, sebbene tale tessuto biologico molle possa deformarsi in modo significativo, il suo volume rimane invariato, " spiega Mazza. Prendendo le misure dei campioni di tessuto, il suo gruppo è stato in grado di dimostrare che il volume viene perso a causa del fatto che il liquido immagazzinato tra le cellule e le fibre di collagene nel tessuto fuoriesce dall'area allungata.

Interazione tra meccanica e chimica

Alessandro Ehret, caposquadra nel gruppo di Mazza, ei suoi colleghi hanno utilizzato ampie simulazioni al computer per chiarire il meccanismo responsabile di ciò. La base è l'allineamento delle fibre di collagene nel tessuto. Le fibre formano una sorta di rete tridimensionale, in cui corrono in tutte le direzioni all'interno di un piano, mostrando solo una leggera inclinazione fuori dal piano.

Se questa rete viene tirata, tutte le fibrille di collagene che giacciono più o meno nella direzione di trazione si avvicinano con un movimento a forbice, spremere il fluido fuori dal tessuto. Le fibre non sono danneggiate, poiché sono principalmente spostati verso il piano e solo leggermente allungati.

La perdita di volume è reversibile. Quando il tessuto si rilassa di nuovo, riassorbe acqua dai tessuti circostanti. "Il motivo sono le macromolecole cariche negativamente che sono legate saldamente alle fibre di collagene, " spiega Mazza. Fanno rifluire l'acqua nei tessuti secondo i principi dell'osmosi. Negli esperimenti, questo processo può essere ripetuto più e più volte.

Mettere alla prova i tessuti

Questa densificazione delle fibre di collagene è estremamente utile, soprattutto in caso di infortuni, come gli scienziati hanno scoperto in ulteriori esperimenti:se un pezzo teso di tessuto biologico molle viene tagliato si forma una crepa, ma le fibre di collagene poi si uniscono alla punta dello strappo. "Se il tessuto è ulteriormente allungato, questo rinforzo è solitamente sufficiente per impedire la crescita dello strappo, " spiega Ehret.

I ricercatori hanno trascorso l'ultimo decennio a sviluppare dispositivi dedicati, ausili e protocolli utilizzati per analizzare il comportamento meccanico dei tessuti biologici molli. Di conseguenza, sono stati in grado di allungare pezzi di tessuto sia grandi che microscopicamente piccoli in una o più direzioni, ad esempio attraverso l'inflazione. Sono anche riusciti a quantificare la risposta del tessuto e a descrivere e spiegare gli effetti osservati utilizzando simulazioni al computer basate su algoritmi, che hanno anche sviluppato loro stessi.

Applicazioni mediche dirette

Però, Mazza ed Ehret non erano solo interessati a capire come si comporta il tessuto sotto un carico di trazione. "Siamo ingegneri, " dice Mazza. Come tale, preferiscono lavorare su soluzioni di problemi della vita reale. Le nuove scoperte sono quindi incorporate direttamente nell'affrontare sfide mediche specifiche, come "ingegneria dei tessuti", la produzione artificiale di tessuto biologico destinato a rigenerare o sostituire il tessuto danneggiato nei pazienti.

Sulla base delle loro nuove scoperte, i ricercatori vogliono esaminare prima i substrati su cui cresce il tessuto.

"Il nostro obiettivo è creare le condizioni più accurate dal punto di vista fisiologico per il tessuto ingegnerizzato, ovvero, imitare la natura il più fedelmente possibile, " dice Mazza. Lui e i suoi colleghi sono convinti che le cellule nel tessuto in crescita ricevano segnali dal substrato che poi svolgono un ruolo importante nel determinare le proprietà del tessuto sostitutivo.

Gli scienziati attribuiscono un ruolo fondamentale all'interazione tra chimica e meccanica. "È fondamentale che il substrato abbia le proprietà corrette, includendo in particolare la corretta interazione tra macromolecole cariche e fibre di collagene, "Spiega Ehret.

Nuova pelle per le vittime di ustioni

I ricercatori intendono partecipare a un progetto presso l'Ospedale pediatrico universitario di Zurigo che mira a coltivare la pelle sostitutiva per le vittime di ustioni in modo più rapido ed efficace. Questa collaborazione si svolgerà nell'ambito del progetto faro Skintegrity gestito dall'Università di Medicina di Zurigo. Alla fine di settembre i ricercatori hanno presentato una proposta di progetto corrispondente al Fondo nazionale svizzero per la scienza.

Però, Il gruppo di Mazza sta già applicando le sue conoscenze specialistiche a un progetto dell'Ospedale universitario di Zurigo che si occupa di lacrime nel sacco amniotico. Questo progetto inizialmente ha cercato di determinare le proprietà richieste dal tessuto per riparare tali lesioni. Ora, la loro attenzione si è concentrata sulla questione del perché queste lacrime si verificano in primo luogo. Quando si tratta di questo tipo di domande, gli ingegneri si sentono a loro agio. "Per poter dare un contributo a tali progetti medici, "dice Mazza, "è altamente motivante."