I ricercatori del Politecnico di Zurigo vogliono produrre impianti per le ossa dure delle gambe con un materiale morbido come un budino. Come dovrebbe funzionare?
Se le ossa si rompono in un incidente (sciistico), di solito ricrescono da sole, a meno che il danno all’osso non sia troppo grave. In questo caso, o dopo la rimozione di un tumore osseo, i chirurghi inseriscono un impianto che consente all’osso di ricomporsi.
Gli impianti sono spesso pezzi di osso del corpo, i cosiddetti autoinnesti, parti metalliche o in ceramica. Tuttavia, la maggior parte degli impianti odierni presenta uno svantaggio: gli autoinnesti devono essere rimossi dal paziente in un secondo sito chirurgico. Gli impianti metallici sono spesso troppo rigidi e possono quindi allentarsi nel tempo e perdere la loro stabilità.
Tenere conto della biologia
E, cosa ancora più importante, l’osso è un organo molto complesso con innumerevoli gallerie e cavità. "Perché un osso guarisca bene, dobbiamo assolutamente includere la biologia nel processo di riparazione", afferma Xiao-Hua Qin, professore di ingegneria dei biomateriali al Politecnico di Zurigo. E questa riparazione richiede diversi tipi di cellule, che devono prima colonizzare l’impianto e poi formare nuova sostanza ossea.
Il ricercatore ha quindi scelto un nuovo approccio: Insieme al suo gruppo e al professore dell’ETH Ralph Müller, Qin ha sviluppato un nuovo tipo di idrogel come materiale per un futuro impianto, morbido come un budino e che si dissolve nel corpo nel tempo. Questo materiale potrebbe un giorno essere utilizzato per impianti ossei personalizzati. Lo studio corrispondente è stato appena pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Materials.
La guarigione inizia con un materiale morbido
"All’inizio della guarigione naturale dell’osso, il corpo utilizza sempre un materiale morbido", spiega il ricercatore. Nei primi giorni dopo una frattura si forma un ematoma, un rigonfiamento. È permeabile e favorisce la migrazione delle cellule responsabili della riparazione della frattura, delle cellule immunitarie e dei nutrienti. Una rete di fibrina tiene unite le cellule. Con il tempo, si sviluppa un osso duro e rigido.
L’idrogel è modellato su questo processo naturale di guarigione ossea. È composto per il 97% da acqua e per il 3% da polimeri biocompatibili. Per far sì che si solidifichi, i ricercatori hanno aggiunto due molecole speciali: una molecola di collegamento che unisce le catene di polimeri e una molecola che reagisce alla luce e innesca la reazione.
Qin e Wanwan Qiu, ex dottorando di Müller, hanno sviluppato la molecola di collegamento appositamente per questa applicazione. "Permette di strutturare rapidamente idrogeli di dimensioni inferiori al micrometro", spiega la ricercatrice. Le catene polimeriche si legano non appena impulsi laser di una specifica lunghezza d’onda colpiscono l’idrogel. Le aree irradiate si solidificano immediatamente, mentre le parti non irradiate possono essere lavate successivamente.
Il budino può essere strutturato in tempi record
In questo modo, i ricercatori possono utilizzare il raggio laser per stampare qualsiasi forma e struttura nell’idrogel con una risoluzione molto fine e una precisione estrema. Le strutture possono avere una dimensione di appena 500 nanometri.
"Poiché gli idrogel sono come gelatina, difficilmente possono essere modellati correttamente", spiega il professor Qin dell’ETH. "Grazie alla molecola composta di nuova concezione, tuttavia, ora possiamo non solo strutturare l’idrogel in modo stabile ed estremamente fine, ma anche produrlo a una velocità di scrittura elevata, fino a 400 millimetri al secondo. Si tratta di un nuovo record mondiale"
Strutture nell’ordine dei nanometri
Nel loro studio, i ricercatori hanno prodotto, tra l’altro, idrogeli strutturati complessi che assomigliano a un osso vero e hanno una rete sottile di fasci ossei. I ricercatori hanno utilizzato come modello immagini provenienti dalla diagnostica per immagini.
Anche l’osso naturale sano è permeato da una fine rete di canali spessi solo un nanometro e riempiti di fluido. "Ci sono 74 chilometri di tunnel in un pezzo di osso grande come un dado", dice Qin. A titolo di confronto, il tunnel ferroviario più lungo del mondo, la galleria di base del Gottardo, misura 54 chilometri.
Il materiale è biocompatibile
Finora i ricercatori hanno testato il materiale solo in provetta. I test hanno dimostrato che le cellule che formano l’osso colonizzano rapidamente l’idrogel strutturato e iniziano a formare il collagene, un componente importante dell’osso. I test hanno anche dimostrato che il materiale è biocompatibile e non danneggia le cellule che formano l’osso. I ricercatori hanno brevettato il materiale di base e vorrebbero renderlo disponibile all’industria medica.
L’obiettivo dichiarato dei ricercatori è che l’impianto a base di idrogel venga un giorno utilizzato negli ospedali per riparare le ossa rotte. Tuttavia, la strada da percorrere è ancora lunga. Qin sta pianificando dei test sugli animali in collaborazione con l’AO Research Institute di Davos. I ricercatori vogliono scoprire se il nuovo materiale per la riparazione ossea favorisce anche la migrazione delle cellule che formano l’osso nel corpo e se ripristina la forza dell’osso nel tempo.
Riferimenti bibliografici
Qiu W, Bernero M, Ye ME, Yang X, Fisch P, Müller R, Qin X-H. Un macrotiolo PVA solubile in acqua consente la microfabbricazione a due fotoni di strutture idrogel interattive con le cellule a 400 mm s-1. Advanced Materials (2026): e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834
