Gli impianti medici potrebbero fallire meno spesso se rivestiti con un materiale ceramico microscopicamente increspato progettato dai ricercatori dell’Università del Michigan. Il rivestimento è descritto in un articolo pubblicato in ACS Applied Materials and Interfaces .
Le minuscole pieghe del materiale hanno le dimensioni perfette per l'aggancio delle giovani cellule ossee e delle cellule immunitarie. Grazie alla loro presa più salda sui rivestimenti, le cellule umane possono aderire fortemente all’impianto e allungarsi lungo la sua superficie. Le cellule ossee allungate si sviluppano più velocemente e le cellule immunitarie allungate tendono ad aiutare a guarire i tessuti e a ridurre l'infiammazione piuttosto che attaccare l'impianto come un invasore estraneo, quindi i ricercatori pensano che i loro rivestimenti potrebbero rendere gli impianti medici più efficaci.
"Gli impianti medici falliscono quando non si integrano bene con il corpo, sia perché le cellule immunitarie cercano di respingere l'impianto, sia perché la guarigione dei tessuti attorno all'impianto è inadeguata", ha affermato Jouha Min, assistente professore di ingegneria chimica e autore corrispondente di lo studio.
"La maggior parte degli studi si concentra solo su un problema alla volta, ma i rivestimenti potrebbero affrontare entrambi i problemi e aiutare un paziente a tornare alla vita normale molto più velocemente", ha aggiunto Min.
Quando il tessuto attorno a un impianto medico non guarisce correttamente, l'impianto può allentarsi e perdere alcune funzioni, il che spesso richiede un intervento chirurgico correttivo. Secondo il rapporto 2023 dell’American Academy of Orthopaedic Surgeons, questo problema, chiamato mobilizzazione asettica, rappresenta circa il 20% di tutti gli interventi chirurgici di revisione dell’anca e il 25% di tutti gli interventi di revisione del ginocchio. I problemi di infiammazione rappresentano un altro 22% delle revisioni dell'anca e circa il 33% delle revisioni del ginocchio.
Delle 3,1 milioni di sostituzioni di anca e ginocchio effettuate tra il 2012 e il 2022, quasi 236.000 hanno richiesto un intervento chirurgico correttivo. Con l'aumento annuale del numero di sostituzioni dell'anca e del ginocchio, molte persone possono trarre beneficio da impianti che si integrano meglio con il loro corpo.
Secondo il nuovo studio, i rivestimenti increspati potrebbero contribuire a realizzare un impianto di successo, ma solo se la dimensione delle scanalature nei rivestimenti può essere controllata con precisione. Quando le scanalature nel rivestimento raggiungono una larghezza di circa 2 micrometri, le cellule umane iniziano ad allungarsi e a formare appendici simili a dita per aderire alle scanalature, che sono più di 10 volte più piccole delle cellule ossee.
Mentre le cellule si muovono nell’ambiente circostante, attivano anche interruttori genetici che stimolano lo sviluppo in cellule ossee mature o cellule immunitarie che riducono l’infiammazione. Quando la larghezza delle scanalature del rivestimento è inferiore a un micrometro, le cellule non si allungano. Di conseguenza, le cellule ossee si sviluppano più lentamente e le cellule immunitarie vengono attivate per combattere corpi estranei e causare infiammazioni.
"Passando dalla nanoscala alla microscala, possiamo indirizzare le cellule dei tessuti a favore di un impianto di successo", ha affermato Mohammad Asadi Tokmedash, studente di dottorato in ingegneria chimica e primo autore dello studio.
Il nuovo metodo di produzione del rivestimento dei ricercatori consente loro di controllare la dimensione delle scanalature. Per prima cosa aggiungono il materiale ceramico su un foglio di polistirolo strato dopo strato.
Una volta che la ceramica è sufficientemente spessa, i ricercatori riscaldano il foglio di polistirolo, facendolo restringere. La ceramica attaccata si restringe con il polistirolo, ma si rompe e si deforma anche perché è meno flessibile del polistirolo. Le crepe e le pieghe risultanti diventano le scanalature a cui si agganciano le celle e la dimensione delle scanalature è controllata dallo spessore degli strati ceramici aggiunti sopra il foglio di polistirene prima che venga riscaldato.
C'è uno svantaggio nell'omettere scanalature più piccole su scala nanometrica dal rivestimento:sono più efficaci nel prevenire che i batteri patogeni vi aderiscano creando una superficie ruvida e appuntita che danneggia le membrane cellulari dei batteri. Scanalature più grandi e su microscala possono essere ideali per l'aggancio delle cellule umane, ma forniscono anche molto spazio ai batteri per nascondersi e crescere sui rivestimenti.
Poiché l'infezione è un'altra delle principali cause di fallimento degli impianti, il team sta attualmente lavorando su un metodo per consentire ai loro rivestimenti di uccidere i batteri fornendo allo stesso tempo maniglie sicure a cui le cellule umane possono attaccarsi. Esperimenti futuri metteranno alla prova la loro idea. I rivestimenti sono stati studiati presso il Michigan Center for Materials Characterization.
Ulteriori informazioni: Mohammad Asadi Tokmedash et al, progettista di rivestimenti multistrato MXene micro/nanocrumpled accelerano l'osteogenesi e regolano la polarizzazione dei macrofagi, materiali e interfacce applicati ACS (2024). DOI:10.1021/acsami.3c18158
Informazioni sul giornale: Materiali e interfacce applicati a ACS
Fornito dal College of Engineering dell'Università del Michigan
