Il corpo umano è tenuto insieme da un intricato sistema di cavi di tendini e muscoli, progettato dalla natura per essere resistente e altamente elastico. Una lesione a uno di questi tessuti, in particolare in un'articolazione importante come la spalla o il ginocchio, può richiedere riparazioni chirurgiche e settimane di mobilità limitata per guarire completamente.

Ora gli ingegneri del MIT hanno escogitato un progetto di ingegneria dei tessuti che può consentire una gamma flessibile di movimento nei tendini e nei muscoli feriti durante la guarigione.

Il team ha progettato piccole bobine rivestite con cellule viventi, che dicono potrebbe agire come impalcature elastiche per riparare muscoli e tendini danneggiati. Le bobine sono costituite da centinaia di migliaia di nanofibre biocompatibili, strettamente attorcigliato in bobine simili a una corda nautica in miniatura, o filato.

I ricercatori hanno rivestito il filo con cellule viventi, comprese le cellule staminali muscolari e mesenchimali, che crescono e si allineano naturalmente lungo il filo, in modelli simili al tessuto muscolare. I ricercatori hanno scoperto che la configurazione a spirale del filato aiuta a mantenere le cellule vive e in crescita, anche se la squadra allungava e piegava il filo più volte.

Nel futuro, i ricercatori prevedono che i medici possano rivestire i tendini e i muscoli danneggiati dei pazienti con questo nuovo materiale flessibile, che sarebbero rivestiti con le stesse cellule che compongono il tessuto danneggiato. L'elasticità del "filato" potrebbe aiutare a mantenere la libertà di movimento del paziente mentre nuove cellule continuano a crescere per sostituire il tessuto danneggiato.

"Quando ripari muscoli o tendini, devi davvero fissare il loro movimento per un periodo di tempo, indossando uno stivale, Per esempio, "dice Ming Guo, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT. "Con questo filato in nanofibra, la speranza è, non dovrai indossare niente del genere."

Guo e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . I suoi coautori del MIT sono Yiwei Li, Yukun Hao, Satish Gupta, e Jiliang Hu. Il team comprende anche Fengyun Guo, Yaqiong Wang, Nu Wang, e Yong Zhao, dell'Università di Beihang.

Bloccato sulla gomma

Il nuovo filato in nanofibra è stato ispirato in parte dal precedente lavoro del gruppo sulle membrane di aragosta, dove hanno trovato il ventre duro ma elastico del crostaceo è dovuto a una stratificazione, struttura simile al compensato. Ogni strato microscopico contiene centinaia di migliaia di nanofibre, tutti allineati nella stessa direzione, con un angolo leggermente sfalsato rispetto al livello appena sopra e sotto.

Il preciso allineamento delle nanofibre rende ogni singolo strato altamente estensibile nella direzione in cui sono disposte le fibre. Guo, il cui lavoro si concentra sulla biomeccanica, ha visto il motivo elastico naturale dell'aragosta come ispirazione per la progettazione di tessuti artificiali, in particolare per le regioni del corpo ad alta elasticità come la spalla e il ginocchio.

Guo afferma che gli ingegneri biomedici hanno incorporato cellule muscolari in altri materiali elastici come idrogel, nel tentativo di modellare tessuti artificiali flessibili. Però, mentre gli idrogel stessi sono elastici e resistenti, le cellule incorporate tendono a spezzarsi quando vengono allungate, come carta velina attaccata a un pezzo di gomma.

"Quando si deforma ampiamente un materiale come l'idrogel, sarà allungato bene, ma le cellule non possono sopportarlo, " dice Guo. "Una cellula vivente è sensibile, e quando li allunghi, loro muoiono."

Rifugio in un slinky

I ricercatori si sono resi conto che la semplice considerazione dell'elasticità di un materiale non sarebbe stata sufficiente per progettare un tessuto artificiale. Quel materiale dovrebbe anche essere in grado di proteggere le cellule dalle forti sollecitazioni prodotte quando il materiale viene allungato.

Il team ha guardato ai muscoli e ai tendini reali per ulteriore ispirazione, e osservato che i tessuti sono costituiti da filamenti di fibre proteiche allineate, arrotolati insieme per formare eliche microscopiche, lungo il quale crescono le cellule muscolari. Si scopre che, quando le spire proteiche si allungano, le cellule muscolari ruotano semplicemente, come minuscoli pezzi di carta velina attaccati a uno slinky.

Guo ha cercato di replicare questo naturale, elastico, struttura di protezione cellulare come materiale tissutale artificiale. Fare così, il team ha prima creato centinaia di migliaia di nanofibre allineate, utilizzando l'elettrofilatura, una tecnica che utilizza la forza elettrica per filare fibre ultrasottili da una soluzione di polimero o altri materiali. In questo caso, ha generato nanofibre realizzate con materiali biocompatibili come la cellulosa.

Il team ha quindi raggruppato insieme le fibre allineate e le ha attorcigliate lentamente per formare prima una spirale, e poi una bobina ancora più stretta, in definitiva assomiglia a un filo e misura circa mezzo millimetro di larghezza. Finalmente, hanno seminato cellule vive lungo ogni bobina, comprese le cellule muscolari, cellule staminali mesenchimali, e cellule di cancro al seno umano.

I ricercatori hanno quindi allungato ripetutamente ogni bobina fino a sei volte la sua lunghezza originale, e ha scoperto che la maggior parte delle cellule su ciascuna bobina è rimasta viva e ha continuato a crescere man mano che le bobine venivano allungate. interessante, quando hanno seminato cellule su più sciolto, strutture a spirale realizzate con gli stessi materiali, hanno scoperto che le cellule avevano meno probabilità di rimanere in vita. Guo dice che la struttura delle bobine più strette sembra "riparare" le cellule dai danni.

Andando avanti, il gruppo prevede di fabbricare bobine simili da altri materiali biocompatibili come seta, che alla fine potrebbe essere iniettato in un tessuto danneggiato. Le bobine potrebbero fornire un temporaneo, impalcatura flessibile per la crescita di nuove cellule. Una volta che le cellule riparano con successo una lesione, l'impalcatura può dissolversi.

"Potremmo essere in grado un giorno di incorporare queste strutture sotto la pelle, e il materiale [della bobina] alla fine sarebbe stato digerito, mentre le nuove cellule restano ferme, " dice Guo. "La cosa bella di questo metodo è, è davvero generale, e possiamo provare diversi materiali. Questo potrebbe spingere molto il limite dell'ingegneria tissutale".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.