Perché i tessuti biologici sono malleabili e resistenti
Gli ingegneri dell'ETH hanno scoperto che i tessuti biologici morbidi si deformano in modo molto diverso sotto sforzo di trazione rispetto a quanto ritenuto in precedenza. I risultati delle loro ricerche stanno già confluendo in progetti di ricerca medica, come ad esempio la crescita più rapida e migliore di protesi cutanee per le vittime di ustioni.
Nel grembo materno, il nascituro nuota in una vasca piena di liquido amniotico. Sacco amniotico. Per il corretto sviluppo del bambino è molto importante che rimanga intatta. Ma può accadere che la copertura protettiva si strappi in seguito a interventi come l'amniocentesi e le operazioni, o anche spontaneamente.
Il tessuto stirato perde volume
Sulla base di questi problemi medici, i ricercatori del gruppo di Edoardo Mazza, professore presso l'Istituto di Sistemi Meccanici del Politecnico di Zurigo, hanno studiato come parti del sacco amniotico e di altri organi biologici possano essere utilizzate per la produzione di energia. Tessuto deformarsi sotto carico di trazione. Uno dei risultati più importanti e sorprendenti: I tessuti perdono massa quando vengono stirati - in media circa il 50% a un allungamento fisiologico del 10%. "Questo contraddice il paradigma valido in precedenza, secondo il quale questi tessuti biologici morbidi possono deformarsi fortemente, ma il loro volume rimane invariato", spiega il biomeccanico Mazza. Utilizzando misure 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 sottoposta a stiramento.
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 di questo meccanismo è l'allineamento del Fibre di collagene nel tessuto. Le fibre formano una sorta di rete tridimensionale in cui corrono su un piano in tutte le direzioni cardinali e mostrano 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 di 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 perché sono principalmente spostate su un piano e al massimo leggermente stirate.
La perdita di volume è reversibile. Quando il tessuto si rilassa di nuovo, riassorbe l'acqua dal tessuto circostante. "Il motivo è costituito da macromolecole con carica negativa, saldamente attaccate 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.
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, confluiscono direttamente in questioni mediche concrete. Per esempio, nell'ambito dell'"ingegneria dei tessuti", la Produzione artificiale di tessuti biologiciche hanno lo scopo di 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 i tessuti artificiali, cioè imitare il più possibile la natura", spiega Mazza. Lui e i suoi colleghi 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. "È fondamentale che il materiale portante abbia le giuste proprietà. Questo include in particolare 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 (si veda l'articolo tecnico sul primo soccorso per le ustioni in Safety-Plus 4/2017 da pagina 10). La collaborazione si svolgerà nell'ambito del progetto Skintegrity dell'Associazione di Medicina Universitaria di Zurigo. I ricercatori hanno presentato la domanda di progetto al Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica alla fine di settembre.
Il gruppo di Mazza sta già contribuendo con le sue conoscenze specialistiche a un progetto dell'Ospedale Universitario di Zurigo che si occupa delle suddette rotture del sacco amniotico. Inizialmente, l'obiettivo era quello di scoprire quali proprietà deve avere il tessuto per riparare eventuali lesioni. Nel frattempo, l'attenzione si è spostata sul perché si verificano queste lesioni. Anche in questo caso, i biomeccanici sono nel loro elemento. "Troviamo molto motivante poter contribuire a questi progetti di rilevanza medica", afferma Mazza.
Fonte: Politecnico di Zurigo
