Quando si considerano i materiali dell'impalcatura, i ricercatori tengono conto delle proprietà dell'impalcatura, come la ruvidità della superficie, il contenuto di acqua (stato di idratazione) e la flessibilità o rigidità (modulo elastico), poiché è noto che queste proprietà influenzano la crescita cellulare.

Gli idrogel sono polimeri reticolati biocompatibili con un elevato contenuto di acqua e rappresentano un promettente materiale per l'impalcatura dei tessuti molli. Possono essere progettati con diverse elasticità, che possono corrispondere alle proprietà meccaniche di vari tessuti naturali. Tuttavia, il loro modulo elastico è legato alla loro composizione, risultando in una differenza nelle caratteristiche tra idrogel più morbidi e più duri.

Per studiare l'effetto specifico dell'elasticità dell'idrogel sulla crescita cellulare, un gruppo di ricerca guidato dal professore assistente Shin-nosuke Nishimura e dal professor Tomoyuki Koga dell'Università di Doshisha, in Giappone, ha sviluppato un idrogel con moduli elastici sintonizzabili utilizzando gli stessi polimeri. I risultati del loro studio sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Material Technologies .

"Il modulo elastico degli idrogel è uno dei fattori più cruciali nel controllare il destino delle cellule", spiega il dottor Nishimura. Tuttavia, idrogel con elasticità diverse vengono solitamente preparati cambiando il monomero di base e l'agente reticolante. Ciò influisce non solo sull'elasticità ma anche su varie caratteristiche, come l'idrofilicità e l'idrofobicità.

Per evitare questo problema, i ricercatori hanno progettato l'idrogel senza legami incrociati. Hanno utilizzato la poli(N-acriloilglicinammide) (PNAGAm) come polimero di base, un polimero vinilico con catene laterali che formano forti legami idrogeno. Questi legami si rompono a temperature elevate e si riattaccano a temperature più basse, conferendo a questi polimeri la capacità unica di ricordare e recuperare la loro forma in risposta ai cambiamenti di temperatura.

Per migliorare le proprietà di adesione cellulare dell’idrogel, i ricercatori hanno combinato il polimero PNAGAm con il peptide arginina (R)–glicina (G)–acido aspartico (D)–serina (S) attraverso la copolimerizzazione radicale. Questi peptidi rappresentano i siti di legame cellulare presenti nel corpo e rendono l'idrogel adatto alla crescita cellulare.

A differenza degli idrogel convenzionali, il modulo elastico dell'idrogel proposto può essere regolato comprimendolo in diversi spessori ad alte temperature.

Quando esposti a temperature elevate, i legami idrogeno all’interno del polimero si rompono e la compressione dell’idrogel in tali condizioni avvicina la rete polimerica e i legami incrociati a base di idrogeno. Questo cambiamento nella struttura molecolare porta ad una modifica del modulo elastico dell'idrogel.

Dopo il raffreddamento, a causa del riattacco dei legami idrogeno, l'idrogel mantiene sia la sua forma che il modulo elastico.

Utilizzando questo metodo, i ricercatori sono riusciti a modificare il modulo elastico di una barra rettangolare di idrogel. Hanno compresso diverse sezioni dell'idrogel allo spessore di 1 mm, 0,64 mm e 0,50 mm a 65°C per un'ora. Dopo averlo raffreddato a una temperatura di coltura cellulare di 37°C, le regioni non pressate, moderatamente pressate e saldamente pressate avevano moduli elastici di 9.460 Pa, 5.940 Pa e 3.460 Pa, rispettivamente.

Seminando l'idrogel con cellule di fibroblasti embrionali di topo (NIH/3T3), i ricercatori hanno osservato una correlazione diretta tra il modulo elastico dell'idrogel e il numero di cellule adese. Nella regione non pressata, il numero di cellule adese era 1,3 × 10 ⁴ celle cm ⁻² , mentre nella regione fortemente compressa è aumentato a 1,9 × 10 ⁴ celle cm ⁻² .

"In questo studio siamo riusciti a controllare il comportamento di adesione cellulare per la prima volta al mondo utilizzando le proprietà di memoria di forma degli idrogel", afferma il prof. Koga.

In conclusione, alterando il modulo elastico mantenendo coerenti altre proprietà, i ricercatori hanno creato una piattaforma che può essere utilizzata per studiare l'influenza del modulo elastico sulla crescita cellulare. Ciò può portare a migliori materiali di impalcatura per la rigenerazione dei tessuti.