Un rendering 3D di un nuovo composito per il fissaggio dell'osso sviluppato da un team di ricerca guidato dallo scienziato dei materiali di UConn Mei Wei. Credito:Bryant Heimbach/UConn
I ricercatori di UConn hanno creato un composito biodegradabile fatto di fibre di seta che può essere utilizzato per riparare ossa portanti rotte senza le complicazioni a volte presentate da altri materiali.
Riparare le principali ossa portanti come quelle della gamba può essere un processo lungo e scomodo.
Per facilitare la riparazione, i medici possono installare una piastra metallica per sostenere l'osso mentre si fonde e guarisce. Eppure questo può essere problematico. Alcuni metalli rilasciano ioni nei tessuti circostanti, provocando infiammazione e irritazione. I metalli sono anche molto rigidi. Se una piastra metallica sopporta troppo carico nella gamba, il nuovo osso può ricrescere più debole ed essere vulnerabile alla frattura.
Cercando una soluzione al problema, Professore UConn Mei Wei, uno scienziato dei materiali e un ingegnere biomedico, si rivolse a ragni e falene per l'ispirazione. In particolare, Wei si è concentrato sulla fibroina della seta, una proteina che si trova nelle fibre di seta filate da ragni e falene, nota per la sua tenacità e resistenza alla trazione.
La comunità medica è a conoscenza da tempo della fibroina della seta. È un componente comune nelle suture mediche e nell'ingegneria dei tessuti a causa della sua forza e biodegradabilità. Eppure nessuno aveva mai provato a farne un composito polimerico denso, e questo è ciò di cui Wei sapeva di aver bisogno se voleva creare un dispositivo migliore per curare le ossa rotte portanti.
Una panoramica delle tecniche di lavorazione utilizzate per fabbricare compositi biodegradabili ad alte prestazioni per favorire la guarigione ossea. Credito:Mei Wei/UConn Immagine
Lavorando con il professore associato di UConn Dianyun Zhang, un ingegnere meccanico, Il laboratorio di Wei ha iniziato a testare la fibroina della seta in varie forme composite, cercando la giusta combinazione e proporzione di materiali diversi per ottenere la massima resistenza e flessibilità. Il nuovo composito doveva certamente essere forte e rigido, ma non tanto da inibire la crescita ossea densa. Allo stesso tempo, il composito doveva essere flessibile, consentendo ai pazienti di mantenere la loro naturale gamma di movimento e mobilità mentre l'osso guarisce.
Dopo decine di prove, Wei e Zhang hanno trovato i materiali che stavano cercando. Il nuovo composito è costituito da lunghe fibre di seta e fibre di acido polilattico - un termoplastico biodegradabile derivato dall'amido di mais e dalla canna da zucchero - che vengono immerse in una soluzione in cui ciascuna è rivestita con particelle bioceramiche fini fatte di idrossiapatite (il minerale di fosfato di calcio presente nei denti e ossa). Le fibre rivestite vengono quindi imballate a strati su un piccolo telaio in acciaio e pressate in una barra composita densa in uno stampo a compressione calda.
In uno studio recentemente pubblicato su Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials , Wei riferisce che il composito biodegradabile ad alte prestazioni ha mostrato caratteristiche di resistenza e flessibilità che sono tra le più alte mai registrate per materiali bioriassorbibili simili in letteratura.
E potrebbero migliorare ancora.
Professor Mei Wei, Giusto, con il professore associato Dianyun Zhang (in fondo a destra), dottorato di ricerca candidato in scienza dei materiali Bryant Heimbach, e lo studente universitario Beril Tonyali nel loro laboratorio presso il Materials Science Institute. Credito:Sean Flynn/UConn Photo
"I nostri risultati sono davvero alti in termini di forza e flessibilità, ma riteniamo che se riusciamo a far fare a ogni componente ciò che vogliamo che facciano, possiamo arrivare ancora più in alto, "dice Wei, che funge anche da decano associato della School of Engineering per la ricerca e la formazione universitaria.
Il nuovo composito è anche resistente. Le ossa delle gambe grandi negli adulti e negli anziani possono richiedere molti mesi per guarire. Il composito sviluppato nel laboratorio di Wei fa il suo lavoro e poi inizia a degradarsi dopo un anno. Non è necessario alcun intervento chirurgico per la rimozione.
Ad unirsi a Wei e Zhang nella ricerca c'erano Bryant Heimbach, un dottorato di ricerca candidato e scienziato dei materiali nel laboratorio di Wei; e Beril Tonyali, uno studente universitario UConn che persegue una laurea in scienze e ingegneria dei materiali.
Il team ha già iniziato a testare nuovi derivati del composito, including those that incorporate a single crystalline form of the hydroxyapatite for greater strength and a variation of the coating mixture to maximize its mechanical properties for bones bearing more weight.
