Un nuovo materiale che attiva le cellule staminali per iniziare a formare l'osso potrebbe consentire un trattamento più efficace per rotture e difetti ossei difficili da guarire, afferma un ingegnere biomedico della Texas A&M University che fa parte del team che sviluppa il biomateriale.

La ricerca del team è dettagliata nella rivista scientifica ACS Nano ed è sostenuto dalla National Science Foundation e dal National Institutes of Health. I suoi risultati potrebbero cambiare il modo in cui i professionisti medici trattano le ossa fratturate che incontrano difficoltà nella guarigione e spesso richiedono procedure di innesto osseo, dice Akhilesh Gaharwar, assistente professore di ingegneria biomedica presso Texas A&M.

Il biomateriale, che consiste di dimensioni nanometriche, particelle bidimensionali incorporate all'interno di un gel, stimola la crescita ossea attraverso un complesso meccanismo di segnalazione senza l'uso di proteine ​​note come fattori di crescita, spiega Gaharwar. I fattori di crescita sono utilizzati nei trattamenti convenzionali, ma può portare a gravi effetti collaterali a causa delle grandi quantità necessarie per stimolare le cellule, lui dice.

"Stiamo cercando di superare questi problemi evitando l'uso di fattori di crescita mentre ricapitoliamo il naturale processo di guarigione delle ossa, " Gaharwar dice. "Il nostro materiale è completamente diverso, strategia alternativa in cui utilizzando i minerali possiamo indurre la differenziazione nelle cellule staminali e promuovere la formazione di tessuto simile all'osso".

Quei minerali, Gaharwar spiega, sono in gran parte acido ortosilicico, magnesio e litio – combinati in minuscole particelle di nanosilicato che sono 100, 000 volte più sottile di un foglio di carta. Le nanoparticelle ultrasottili sono incorporate in un idrogel a base di collagene, un gel biodegradabile utilizzato in diverse applicazioni biomediche per la sua compatibilità con il corpo.

Quando i nanosilicati sono incorporati in una matrice di gelatina, diversi fisici, le proprietà chimiche e biologiche dell'idrogel sono migliorate, spiega Gaharwar. Per esempio, l'idrogel può essere progettato per rimanere nel sito della lesione per periodi specifici controllando le interazioni tra i nanosilicati e la gelatina, aggiunge Gaharwar. Questa personalizzazione, Gaharwar dice, può consentire all'idrogel iniettato di entrare nella cavità del difetto e aiutarlo a guarire mentre si degrada lentamente quando viene sostituito da tessuto naturale.

Promettenti sono anche i test sulle proprietà meccaniche del materiale, dice Gaharwar. Oltre alla sua capacità di essere iniettato nel sito di una lesione, il materiale raggiunge una rigidità da tre a quattro volte superiore una volta all'interno del corpo, permettendogli di essere bloccato in posizione. Ciò impedisce al materiale di fluire verso altre parti del corpo, evitando così effetti collaterali indesiderati, dice Gaharwar.

I risultati, Gaharwar dice, sono stati positivi, come evidenziato da indicatori di crescita ossea sia a breve che a lungo termine. test iniziali, lui dice, mostrano un aumento di tre volte dell'attività della fosfatasi alcalina, un marker per la formazione ossea precoce (nota come osteogenesi). questa è una conferma, Gaharwar spiega, che il processo di segnalazione sta effettivamente "chiedendo" alle cellule staminali di differenziarsi in cellule ossee. Anche i marcatori tardivi sono positivi, Aggiunge, notando che dimostrano un aumento di quattro volte della presenza di fosfato di calcio, un componente principale dell'osso.

"I gel nanocompositi dinamici e bioattivi che abbiamo sviluppato mostrano una forte promessa nelle applicazioni di ingegneria del tessuto osseo, " dice Gaharwar.

Come parte della ricerca futura, Gaharwar prevede ulteriori indagini sul processo mediante il quale le nanopiastrine innescano la differenziazione cellulare. Inoltre, la caratteristica di assottigliamento del gel può essere utilizzata per stampare strutture tissutali tridimensionali cariche di cellule, lui spiega. Con questo in testa, Gaharwar sta lavorando con i colleghi per costruire su misura, scaffold vascolarizzati che impiegano il materiale e potrebbero essere inseriti chirurgicamente nel sito di lesioni più gravi dove l'iniezione non è un'opzione. Le impalcature, lui spiega, consentirebbe al sito della lesione di ricevere il flusso sanguigno come parte del processo di guarigione potenziato avviato dalle nanoparticelle. È un sistema che Gaharwar crede che affronterà alcune delle sfide associate all'ingegneria di tessuti o organi complessi.

"Sulla base dei nostri solidi studi preliminari, prevediamo che queste particelle altamente biofunzionali abbiano un immenso potenziale per essere utilizzate in applicazioni biomediche, " fa notare.