Credito: Fraunhofer ISC
I ricercatori del Fraunhofer sono riusciti a utilizzare il gel di silice bioriassorbibile Renacer per produrre una membrana elettrofilata che non è né citotossica per le cellule né genotossica. Questo modello imita le strutture fibrose che si trovano nel tessuto connettivo ed è quindi particolarmente adatto per applicazioni rigenerative, come per migliorare la guarigione delle ferite.
Il trattamento di ferite grandi e interne è impegnativo e può essere un processo molto lungo. I ricercatori del Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC e del Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM hanno sviluppato una membrana bioriassorbibile per questo uso. Questa membrana supporta la guarigione delle ferite e si biodegrada completamente nel corpo in una sostanza naturale.
La base per la nuova membrana è un vello di fibra sviluppato al Fraunhofer ISC. Questo pile è già stato approvato come dispositivo medico per supportare la rigenerazione di ferite croniche, come il piede diabetico. Durante il processo di guarigione, il materiale si dissolve completamente entro sei-otto settimane. Utilizzando il metodo dell’elettrofilatura, i ricercatori sono ora riusciti a ridurre il diametro della fibra di 50 micrometri di un fattore superiore a 50, ottenendo fibre con diametri inferiori a un micrometro (µm). Ciò ha reso possibile la filatura di un sol di gel di silice in una membrana di gel di silice a maglia aperta costituita da fibre con un diametro di circa un µm. In alcuni casi, i diametri raggiunti erano piccoli fino a 100 nanometri.
“Questi sistemi di fibre imitano la matrice extracellulare , le strutture fibrose che si trovano nel tessuto connettivo , nel corpo e sono molto ben tollerate dalle cellule umane per la rigenerazione dei tessuti. Non provocano reazioni da corpo estraneo e nessuna cicatrizzazione interna. L’innovativa membrana in gel di silice rilascia solo un prodotto di degradazione, l’acido orto-silicico, che ha un effetto rigenerativo sul tessuto e favorisce la chiusura delle ferite”, spiega il dott. Bastian Christ, scienziato presso il Fraunhofer ISC di Würzburg. Insieme ai suoi colleghi, era responsabile della sintesi e dell’elaborazione del materiale.
“Mentre il vello di fibre originale di 50 µm di fibre spesse viene inserito in una ferita cronica dall’esterno, il vello di fibre più sottile è adatto anche per l’uso interno. Teoricamente, potrebbe essere posizionato sul materiale di riempimento utilizzato per difetti ossei nella mascella per accelerare la guarigione delle ferite”, così la dott.ssa Christina Ziemann, ricercatrice presso Fraunhofer ITEM responsabile della valutazione biologica del materiale, descrive una delle numerose possibili applicazioni. “In linea di principio, la membrana può essere incollata nel corpo con adesivi biodegradabili.”
Utilizzando un microscopio confocale , uno speciale microscopio ottico, è stato possibile dimostrare che la membrana a maglie piccole, che funge da dimostratore, esibisce una funzione di barriera. Ciò impedisce il passaggio delle cellule del tessuto connettivo per un periodo di almeno sette giorni senza interferire con la proliferazione cellulare. Inoltre, la membrana è riassorbibile, non è citotossica o genotossica e quindi non provoca danni diretti ai tessuti o al DNA.
Credito: Fraunhofer ISC
Il diametro della fibra e la dimensione della maglia influenzano il comportamento delle celle
È stata scelta una fibra sottile del diametro di 100 nanometri con maglie sottili da utilizzare come barriera di adesione per prevenire aderenze postoperatorie e cicatrici. Con questa configurazione, solo i nutrienti potrebbero passare attraverso il vello di fibre, ma le cellule del tessuto connettivo no. Con un diametro della fibra di un micrometro e maglie corrispondentemente più larghe, invece, le cellule crescono nella maglia della fibra, lì proliferano e hanno un effetto rigenerante sul tessuto circostante.
“Regolando le proprietà del materiale, come il diametro della fibra e la dimensione della maglia, è possibile influenzare il comportamento delle celle come desiderato”, afferma Christ. L’attrezzatura necessaria per la filatura delle fibre è progettata presso Fraunhofer ISC per soddisfare le esigenze applicative e specifiche del cliente. Anche la forma e le dimensioni dei velli di fibre possono essere adattate alle specifiche del cliente.
Le ferite guariscono rapidamente ed efficacemente solo se il tessuto ferito è sufficientemente rifornito di sostanze nutritive. Allo stesso tempo, i prodotti metabolici devono essere rimossi. A differenza di molti prodotti sul mercato che consentono il trasporto dei nutrienti solo dopo l’inizio della biodegradazione, la membrana Renacer a maglie aperte favorisce questo trasporto subito dopo l’impianto, pur non consentendo il passaggio delle cellule.
Membrana a carattere inorganico
C’è un altro vantaggio: la membrana Renacer si dissolve completamente in acido ortosilicico non tossico a pH quasi neutro, l’unica forma idrosolubile di silice. È fisiologicamente presente nel corpo e ha dimostrato di stimolare la formazione del tessuto connettivo cutaneo e la formazione ossea. I prodotti attualmente disponibili non presentano tali proprietà bioattive.
Molti materiali biodegradabili si dissolvono in acidi organici, come l’acido lattico o l’acido glicolico. Ciò può causare un’acidificazione locale nel tessuto, che innesca quindi reazioni infiammatorie del sistema immunitario. “I nostri test hanno dimostrato che anche il prodotto di dissoluzione, l’acido orto-silicico, è atossico e completamente biocompatibile con le cellule”, afferma Ziemann. “La membrana si decompone in una singola molecola, l’acido orto-silicico.”
Inoltre, i farmaci possono essere incapsulati nella matrice delle fibre di gel di silice, per essere rilasciati durante il riassorbimento del materiale. “Ad esempio, gli antibiotici potrebbero essere iniettati in una ferita dopo l’applicazione di una membrana Renacer carica di farmaco per prevenire la formazione di colonie batteriche”, spiega Christ. Al Fraunhofer ISC, il progetto GlioGel sta testando se la piattaforma di materiali Renacer può essere utilizzata come deposito di sostanze attive nel trattamento dei tumori cerebrali.