Cellulosa con braille per le cellule

Il sistema immunitario umano distingue tra gli organismi propri dell'organismo e quelli estranei. Ciò che è molto utile per difendersi dagli agenti patogeni diventa un problema quando un paziente ha bisogno di un impianto artificiale, ad esempio un pacemaker o una pompa cardiaca. In alcuni casi, l'organismo reagisce con infiammazioni o addirittura con il rigetto del dispositivo. I ricercatori dell'ETH di Zurigo presentano ora un metodo promettente per rendere particolarmente ben tollerato un materiale che potrebbe essere utilizzato per incapsulare tali dispositivi: Il metodo consente di produrre cellulosa con specifiche microstrutture tridimensionali che migliorano notevolmente la compatibilità del materiale.

I ricercatori avevano già scoperto che le cellule interagiscono e aderiscono meglio alle superfici strutturate che a quelle lisce. Finora, tuttavia, non è stato possibile applicare tali strutture superficiali a uno dei materiali più promettenti per la medicina, ovvero la cellulosa prodotta dai batteri. La cellulosa batterica è diventata negli ultimi anni oggetto di interesse da parte della ricerca perché è durevole, adattabile e ben tollerata dall'organismo. Ad esempio, si stanno già producendo vasi sanguigni artificiali o sostituzioni della cartilagine che vengono testati per l'uso pratico. Il materiale flessibile è interessante anche per le medicazioni delle ferite.

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Dimos Poulikakos dell'ETH e da Aldo Ferrari, capogruppo del Laboratorio di Termodinamica nelle Nuove Tecnologie, è riuscito a produrre cellulosa batterica con una struttura superficiale specifica. Per farlo, utilizzano uno stampo in silicone con un disegno tridimensionale ottimizzato (in questo caso una griglia di linee) nell'ordine dei micrometri. Lo stampo viene fatto galleggiare sulla superficie di una soluzione nutritiva in cui crescono i batteri produttori di cellulosa. I batteri costruiscono una fitta rete di filamenti di cellulosa nel punto di transizione tra liquido e aria. In presenza dello stampo in silicone, si adattano ad esso e producono uno strato di cellulosa insieme all'impronta negativa della griglia di linee.

La struttura di superficie trasmette i segnali cellulari

La griglia lineare ha fatto sì che i batteri producessero più filamenti di cellulosa secondo l'orientamento approssimativo della griglia. "Le cellule umane hanno fondamentalmente la capacità di riconoscere le fibre, ad esempio il collagene del corpo, un componente del tessuto connettivo", spiega Aldo Ferrari. I filamenti di cellulosa e il reticolo offrono alle cellule un orientamento lungo percorsi predeterminati che possono percepire. "Questo è un grande vantaggio per i cerotti per ferite. Le cellule della pelle possono chiudere meglio una ferita se si muovono lungo una cellulosa così strutturata". La struttura si mantiene anche se il materiale viene asciugato per essere conservato e inumidito di nuovo poco prima dell'uso.

Poulikakos spiega che ora è possibile dare alla superficie di cellulosa un messaggio per le cellule che in seguito cresceranno su di essa durante la sua produzione. "Si può pensare che sia come il Braille": in questo modo è possibile applicare alla superficie il "messaggio" ottimale da utilizzare in seguito.

Meno infiammazioni grazie alla superficie strutturata

Tali strutture aiutano anche a ridurre le reazioni di rigetto dell'organismo nei confronti dell'impianto artificiale: Negli studi condotti sui topi, i ricercatori hanno confrontato la cellulosa liscia con la cellulosa strutturata e hanno scoperto che i topi a cui era stata inserita la cellulosa strutturata sotto la pelle mostravano segni di infiammazione significativamente inferiori.

Gli scienziati stanno ora dando seguito a questi promettenti risultati iniziali per testare il materiale in condizioni più complesse. Ad esempio, i ricercatori potrebbero strutturare la superficie della cellulosa per i vasi sanguigni artificiali in modo tale da ottimizzare il flusso sanguigno e ridurre l'intasamento di tali vasi.

I ricercatori guidati da Poulikakos e Ferrari hanno anche fondato l'apertura Hylomorph per portare il metodo alla maturità del mercato. "Stiamo pianificando di utilizzare la cellulosa strutturata nel progetto Zurich Heart sul nuovo Centro Wyss per la Medicina Traslazionale da utilizzare", rivela Poulikakos. L'obiettivo di questo progetto è sviluppare pompe cardiache artificiali che possano aiutare i pazienti con gravi patologie cardiache a colmare il tempo che li separa dall'arrivo di un cuore da donatore, o addirittura a sostituirlo in modo permanente. Le pompe cardiache esistono già. Tuttavia, le opzioni che offrono sono state finora limitate, non sono molto durevoli e possono causare complicazioni. "Il nostro obiettivo è che gli impianti artificiali siano completamente accettati dall'organismo del paziente", spiega Ferrari. Nel progetto "Zurich Heart", i ricercatori contribuiranno al confezionamento e al rivestimento interno di pompe cardiache ottimizzate, che dovrebbero comportare un numero molto inferiore di complicazioni.