Un composito simile all’osso sviluppato all’EPFL utilizza enzimi naturali per accelerare la mineralizzazione. Il processo è efficiente dal punto di vista energetico e può essere eseguito a temperatura ambiente. Questo materiale forte e leggero è promettente per le applicazioni di riparazione ossea.
Ispirandosi alle proprietà meccaniche resilienti e autoriparative dell’osso, gli scienziati hanno sviluppato materiali sintetici basati su uno dei componenti principali dell’osso: un minerale chiamato idrossiapatite (HA). Tuttavia, la produzione di materiali a base di HA richiede generalmente processi ad alta temperatura e ad alta intensità energetica e limita l’uso di componenti biologicamente attivi, come gli enzimi, per promuovere la crescita ossea.
Il Soft Materials Laboratory ( SMaL ) della Facoltà di Scienze e Tecniche dell’Ingegneria dell’EPFL ha sviluppato un processo per la stampa 3D di strutture a base di HA che possono essere prodotte a temperatura ambiente. Utilizza enzimi per una rapida mineralizzazione. Le strutture porose e simili all’osso che ne derivano possono sopportare carichi dopo soli sette giorni. I risultati sono stati pubblicati su Advanced Functional Materials.
"La nostra idea era quella di creare un ’inchiostro’ iniettabile e stampabile in 3D che potesse essere mineralizzato in impalcature con proprietà meccaniche simili a quelle dell’osso trabecolare altamente poroso, che si trova nelle vertebre umane e alle estremità di ossa lunghe come il femore", spiega Esther Amstad, responsabile del laboratorio. Speriamo che la combinazione di prestazioni meccaniche, attività biologica e lavorazione efficiente dal punto di vista energetico della nostra tecnologia apra nuove prospettive per l’ingegneria del tessuto osseo"
Ingegneria spaziale per il rimodellamento osseo
L’"inchiostro" viene prodotto incorporando l’enzima fosfatasi alcalina in microparticelle di gelatina e incubandole in una soluzione contenente ioni calcio e fosfato. L’enzima innesca la formazione di cristalli di idrossiapatite che irrigidiscono e rinforzano le impalcature stampate. Dopo soli quattro giorni di mineralizzazione, il composito può sostenere il peso medio di un adulto su una superficie di 1,5 cm x 1,5 cm.
Gli scienziati hanno anche aggiunto microframmenti di gelatina privi di enzimi, che si sciolgono quando l’impalcatura viene incubata, lasciando dei pori. Impiantati in una frattura ossea, ad esempio, questi pori possono essere colonizzati da cellule sane per incoraggiare la crescita di nuovo osso. Regolando la densità di questi microframmenti, il team può controllare la porosità del supporto. Introducendo pori che rappresentano circa il 50% del volume del supporto, gli scienziati stanno creando spazio sufficiente per le cellule per infiltrarsi e rimodellare i supporti, aprendo nuove possibilità per la rigenerazione ossea naturale.
In futuro, il nostro lavoro potrebbe gettare le basi per lo sviluppo di strutture iniettabili che favoriscano la rigenerazione ossea
Esther Amstad, responsabile del Laboratorio Materiali Flessibili
In un test condotto 14 giorni dopo aver inoculato le impalcature con cellule staminali umane e averle poste in un terreno che promuove la crescita ossea, gli scienziati hanno rilevato la presenza di collagene e della proteina della matrice ossea osteocalcina, due indicatori della crescita cellulare. Questi risultati confermano il potenziale di questo approccio per l’ingegneria tissutale.
Secondo Esther Amstad, l’approccio enzimatico di SMaL permette di ottenere scaffold di HA più resistenti di quelli prodotti con metodi ad alta temperatura, con una resistenza alla compressione paragonabile a quella dell’osso trabecolare umano. La tecnica può essere utilizzata per stampare impalcature molto complesse e può essere impiegata anche con i bioprinters disponibili in commercio.
"In futuro, il nostro lavoro potrebbe gettare le basi per lo sviluppo di strutture iniettabili che promuovano la rigenerazione ossea e consentano ai pazienti di utilizzare le loro ossa fratturate molto prima rispetto alle tecnologie disponibili oggi", spiega il professore.
RiferimentiF. Bono, A. Puiggalí-Jou, G. Cocchi, et al. "Idrossiapatite porosa stampata in 3D e formata tramite mineralizzazione enzimatica" Advanced Functional Materials (2026): e26568. https://doi.org/10.1002/adfm.202526568
Dimostrazioni cilindriche di impalcature stampate in 3D. 2026 EPFL SMaL CC BY SA
Dimostrazioni cilindriche di impalcature stampate in 3D. 2026 EPFL SMaL CC BY SA
