Cosa rende i tessuti malleabili eppure così resistenti

Nel grembo materno, il nascituro nuota in un sacco amniotico pieno zeppo di liquido amniotico. ? molto importante per il corretto sviluppo del bambino che questo rimanga intatto. Tuttavia, può accadere che l'involucro protettivo si rompa in seguito a interventi come l'amniocentesi e le operazioni, o anche spontaneamente.

Il tessuto stirato perde volume

Partendo da questi problemi medici, i ricercatori del gruppo di Edoardo Mazza, professore presso l'Istituto di sistemi meccanici dell'ETH di Zurigo, hanno studiato il modo in cui parti del sacco amniotico e altri tessuti biologici si deformano sotto sforzo di trazione. Uno dei risultati più importanti e sorprendenti: I tessuti perdono massa quando vengono stirati - in media circa il 50% a uno stiramento fisiologico del 10%.

"Questo contraddice il paradigma precedente, secondo il quale questi tessuti biologici morbidi possono deformarsi in modo significativo, ma il loro volume rimane invariato", spiega il biomeccanico Mazza. Utilizzando misurazioni su campioni di tessuto, il suo gruppo è riuscito a dimostrare che la perdita di volume è dovuta al fatto che il fluido, immagazzinato nel tessuto tra le cellule e le fibre di collagene, fuoriesce dall'area stirata.

Interazione tra meccanica e chimica

Alexander Ehret, team leader del gruppo di Mazza, è stato in grado di chiarire il meccanismo alla base di questo fenomeno insieme al suo team e con l'aiuto di ampie simulazioni al computer. La base è l'allineamento delle fibre di collagene nel tessuto. Le fibre formano una sorta di rete tridimensionale in cui corrono su un unico piano in tutte le direzioni, con solo lievi deviazioni verso l'alto e verso il basso.

Se si tira questa rete, tutte le fibrille di collagene, che si trovano più o meno nella direzione della trazione, si avvicinano l'una all'altra in una sorta di movimento a forbice e premono il fluido fuori dal tessuto. Le fibre non subiscono danni, poiché sono principalmente spostate su un piano e al massimo leggermente stirate.

La perdita di volume è reversibile. Quando il tessuto si rilassa di nuovo, assorbe nuovamente acqua dal tessuto circostante. "Il motivo è che le macromolecole con carica negativa sono saldamente legate alle fibre di collagene", spiega Mazza. Esse fanno sì che l'acqua rifluisca nel tessuto secondo i principi dell'osmosi. Il processo può essere facilmente ripetuto molte volte nell'esperimento.

Tessuto sul banco di prova

La compressione delle fibre di collagene è estremamente utile, soprattutto in caso di lesioni, come hanno dimostrato ulteriori esperimenti degli scienziati: se si taglia un tessuto biologico morbido teso, si forma una lacerazione, ma le fibre di collagene si muovono insieme all'estremità della lacerazione. "Se poi il tessuto viene ulteriormente stirato, questo rinforzo è di solito sufficiente a impedire che la lacerazione cresca ulteriormente", spiega Ehret.

Negli ultimi dieci anni, i ricercatori hanno sviluppato le attrezzature, gli strumenti e i verbali necessari per i loro esperimenti, appositamente per questo tipo di indagini. Ciò ha permesso loro di allungare in una o più direzioni, ad esempio gonfiandoli, sia pezzi di tessuto più grandi sia pezzi di tessuto microscopicamente piccoli. Sono stati anche in grado di quantificare la reazione del tessuto e di descrivere e spiegare gli effetti osservati utilizzando simulazioni al computer, anch'esse sviluppate da loro stessi.

Applicazioni dirette in medicina

Ma Mazza ed Ehret non erano interessati solo a capire come si comportano i tessuti sotto sforzo di trazione. "Siamo ingegneri", dice Mazza. E come tali, preferiscono lavorare su soluzioni pratiche nella vita reale. Le nuove scoperte, quindi, si ripercuotono direttamente su questioni mediche specifiche.

Per esempio, nell'"ingegneria dei tessuti", la produzione artificiale di tessuto biologico per rigenerare o sostituire i tessuti danneggiati nei pazienti. Sulla base delle nuove scoperte, i ricercatori vorrebbero concentrarsi sui materiali di supporto su cui questi tessuti prosperano.

"Il nostro obiettivo è creare le condizioni più fisiologiche possibili per il tessuto artificiale, cioè imitare il più possibile la natura", spiega Mazza. Lui e i suoi collaboratori sono convinti che le cellule del tessuto in crescita ricevano segnali dal materiale di supporto che giocano un ruolo importante nelle proprietà successive del tessuto sostitutivo.

Gli scienziati attribuiscono un ruolo fondamentale all'interazione tra chimica e meccanica. "? fondamentale che il materiale portante abbia le giuste proprietà. In particolare, questo include la giusta interazione tra macromolecole cariche e fibre di collagene", spiega Ehret.

Una nuova pelle più veloce per le vittime di ustioni

In particolare, i ricercatori intendono partecipare a un progetto dell'Ospedale pediatrico di Zurigo che mira a far crescere meglio e più velocemente i sostituti della pelle per le vittime di ustioni. La collaborazione avverrà nell'ambito del progetto Skintegrity della rete di medicina universitaria di Hochulmedizin Zürich. I ricercatori hanno presentato la domanda di progetto alla Fondazione Nazionale Svizzera per la Scienza alla fine di settembre.

Il gruppo di Mazza sta già contribuendo con le sue competenze a un progetto dell'Ospedale universitario di Zurigo, che sta esaminando le suddette lacerazioni del sacco amniotico. Inizialmente, l'obiettivo era quello di scoprire quali proprietà deve avere il tessuto per riparare eventuali lesioni. Ora l'attenzione si concentra sulla questione del perché si verifichino queste lesioni. Anche in questo caso, i biomeccanici sono nel loro elemento. "Essere in grado di dare un contributo a questi progetti di rilevanza medica", dice Mazza, "è molto motivante".