Le cellule mostrano segni di crescita sana in questa immagine al microscopio elettronico a trasmissione, prese 15 ore dopo essere state posizionate su una superficie di titanio rivestita con un tappeto di minuscoli nanofili. Nel riquadro (in alto a sinistra), filamenti possono essere visti estendersi dalle cellule alla superficie, che indica una forte connessione. Gli ingegneri della Ohio State University stanno sviluppando il rivestimento, che un giorno potrebbe aiutare le ossa rotte e le protesi articolari a guarire più velocemente. Credito:sceicco Akbar, Università statale dell'Ohio.
Le ossa rotte e le protesi articolari potrebbero un giorno guarire più velocemente, grazie a un rivestimento insolito per impianti medici in fase di sviluppo presso la Ohio State University.
I ricercatori hanno scoperto che le cellule ossee crescono e si riproducono più velocemente su una superficie ruvida rispetto a una liscia, e crescono meglio quando possono aggrapparsi a un microscopico tappeto a pelo lungo fatto di minuscoli fili di ossido di metallo.
Nei test, i fili hanno aumentato la crescita cellulare di quasi l'80% rispetto ad altre superfici, il che suggerisce che il rivestimento aiuterebbe l'osso sano a formare un forte legame con un impianto più velocemente.
Gli ingegneri hanno sviluppato una tecnica conveniente per creare i fili, che descrivono in un articolo nel numero di luglio 2013 della rivista Ceramica Internazionale .
"La cosa veramente eccitante di questa tecnica è che non dobbiamo intagliare i nanofili da un pezzo solido di metallo o lega. Possiamo farli crescere da zero, sfruttando la fisica e la chimica dei materiali, " disse lo sceicco Akbar, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Ohio State. "Ecco perché chiamiamo il nostro processo 'nanostrutture per design dei materiali'".
Il team di Akbar (consigliato dal suo collega, Suliman Dregia, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali) è stato in grado di far crescere i fili adattando il mix di materiali e gas all'interno di una fornace. A temperature intorno a 1, 300 gradi Fahrenheit, sottili filamenti di biossido di titanio si ergevano da una superficie liscia di titanio. Ciascuno era decine di migliaia di volte più piccolo di un capello umano.
Questa immagine al microscopio elettronico a scansione mostra un singolo filo, decine di migliaia di volte più sottili di un capello umano, che è stato creato in una fornace alla Ohio State University. Gli ingegneri qui stanno coltivando tappeti di questi fili su superfici in titanio per aumentare la crescita cellulare, con l'obiettivo finale di aiutare il corpo a guarire intorno agli impianti ossei e articolari. Credito:immagine per gentile concessione dello sceicco Akbar, Università statale dell'Ohio.
Ma poi accadde qualcosa di insolito che gli ingegneri non riuscirono a spiegare. Ogni filo ha sviluppato un rivestimento protettivo di ossido di alluminio attorno a sé, come uno strato di corteccia attorno a un tronco d'albero. La crescita del rivestimento potrebbe avere un senso, se il materiale nel forno fosse una lega di titanio contenente alluminio. Ma in questo caso, i ricercatori stavano lavorando con titanio puro, quindi non è chiaro come i fili abbiano sviluppato un rivestimento in alluminio.
"È strano che non capiamo completamente perché questo processo funzioni in questo modo. Dovremo fare un po' di microscopia fantasiosa per capirlo, ma sappiamo che i fili si formano solo nelle giuste condizioni, " ha detto Akbar.
Nei test, i ricercatori hanno coltivato cellule tumorali ossee su tre diverse superfici:titanio liscio, biossido di titanio liscio, e il tappeto di nanofili. (Hanno scelto le cellule cancerose perché le cellule sono particolarmente resistenti, e si riproducono allo stesso modo delle cellule ossee sane.)
La più grande differenza nella crescita cellulare si è verificata entro le prime 15 ore di test, quando i ricercatori hanno misurato una concentrazione del 20% superiore dell'enzima di crescita ossea fosfatasi alcalina prodotta dalle cellule che crescono sui nanofili. Alla fine dello studio, erano circa 90, 000 celle per centimetro quadrato sulla superficie del nanofilo:l'80% in più rispetto al 50, 000 celle per centimetro quadrato su ciascuna delle altre due superfici.
Il coautore dello studio Derek Hansford, professore associato di ingegneria biomedica e scienza e ingegneria dei materiali, ha detto che il rivestimento potrebbe aiutare le persone che hanno protesi di anca e ginocchio, impianti dentali, o ossa rotte che richiedono viti e placche per ripararle.
"La nostra speranza è che questo trattamento superficiale diventi una modifica semplice da implementare per gli impianti in titanio per aiutarli a formare un'interfaccia più forte con il tessuto osseo circostante. Un'interfaccia più forte significa che gli impianti e le ossa saranno in grado di condividere meglio i carichi meccanici, e possiamo preservare meglio l'osso sano e i tessuti molli intorno al sito dell'impianto, "Ha detto Hansford.
Akbar ritiene che il prezzo sia giusto per lo sviluppo commerciale. $ 100 di lamina di metallo sono sufficienti per fare centinaia di campioni.
Anche il metodo per far crescere i fili è estremamente semplice. Oltre a impostare il giusto mix di materiali e gas, si tratta solo di premere un pulsante per accendere il forno da laboratorio.
"Sul serio, se passassi la giornata nel mio laboratorio, potresti imparare a farlo da solo, " ha detto Akbar.
Lui e il suo team stanno ora esplorando altre combinazioni di materiali e gas per creare diverse forme nanometriche per la crescita cellulare e il rilevamento chimico.
