Le prima sono dure, i secondi morbidissimi ed elastici. Bastano già queste caratteristiche a rivelare la complessità di un segreto che la natura ha messo in atto nell’organismo umano nel combinare tra loro le ossa ed i tendini. Ad unire queste strutture c’è infatti una naturale interfaccia che per nostra fortuna cede raramente. Ma se ciò accade, ovviamente, occorre ricreare una soluzione che permetta di rispondere ad un così complesso problema anatomico e funzionale, in modo da ricreare una transizione quanto più vicina possibile a quella naturale. Come fare ad imitare questo processo che ha richiesto milioni di anni di evoluzione e ha permesso di mantenere forza e resistenza passando dalla rigidità dell’osso alla flessibilità del tendine? Una risposta viene dai metamateriali e la propone una ricerca degli esperti del Delft Institute of Technology con una ricerca apparsa su Nature Communications: grazie a nuove strategie che combinano due tipi di metamateriali, hanno progettato strutture che imitano fedelmente l’interfaccia osso-tendine.
Il segreto dei metamateriali
Ripetere in laboratorio quanto realizzato dalla natura non è certo semplice. Su una distanza molto breve, il corpo passa dall’osso rigido al tendine flessibile. Per questo si è pensato ai metamateriali, creati su misura con proprietà sono determinate dalla loro architettura interna piuttosto che dalla loro composizione chimica. Ne esistono due classi principali. I metamateriali a struttura lamellare, costituiti da superfici continue e adatti per strutture rigide e per l’integrazione delle cellule ossee, o con struttura a travetti, che possono riprodurre meglio i tessuti più morbidi. “Combinare questi due tipi di metamateriali è stata una vera sfida per gli ingegneri. – commenta in una nota del centro il primo autore Jianxing Yang -. Il collegamento diretto tra i due crea spesso zone di debolezza in cui possono verificarsi cedimenti. Il primo istinto ingegneristico è quello di passare gradualmente da un’architettura all’altra; ma questo fa sì che la regione di transizione diventi troppo lunga e troppo distante dall’interfaccia osso-tendine compatta che si trova in natura”.
Per questo, la ricerca ha puntato su un algoritmo che identifica reticoli compatibili a struttura lamellare e a travetti e determina il modo migliore per unirli. Il metodo allinea le geometrie delle due architetture e introduce una cella di transizione che condivide le caratteristiche di entrambe. Così si ottiene un passaggio graduale e veloce (e non un confine brusco) da una struttura all’altra.
Riprodurre la natura
Gli esperti hanno stampato in 3D diversi prototipi sottoponendoli a test meccanici e confermando la possibilità di realizzare connessioni robuste tra le due famiglie di metamateriali. Ora c’è la sfida più complessa: bisogna capire se e come le cellule viventi rispondano a queste strutture ibride in un’unica impalcatura. “Coltivando cellule sulle strutture di nuova concezione, speriamo di comprendere come la geometria influenzi l’adesione, la crescita e la differenziazione cellulare – è il commento di uno degli autori, Amir A. Zadpoor -. In definitiva, l’obiettivo è determinare se le transizioni progettate possano guidare la formazione di diversi tipi di tessuto, proprio come avviene nell’interfaccia naturale osso-tendine”. Certo è che ora si hanno a disposizione strategie in grado di favorire la realizzazione di impianti e strutture di ingegneria tissutale che non solo si adattino alle proprietà meccaniche del corpo, ma che contribuiscano anche a indirizzarne la risposta biologica. Il tutto per sviluppare risposte alle forme più gravi di problematiche traumatologiche e muscolo-scheletriche.
Un futuro di innovazione
“La ricerca sui metamateriali capaci di riprodurre l’interfaccia tra tendine ed osso rappresenta un esempio delle prospettive che offre l’ingegneria tissutale alla chirurgia ortopedica e traumatologica – commenta Marco Mugnaini, Ppesidente OTODI (Ortopedici Traumatologi Ospedalieri d’Italia) -. Certo è che la possibilità di creare strutture in grado di riprodurre i tessuti biologici apre scenari promettenti per future applicazioni cliniche. Per OTODI, l’innovazione scientifica è un elemento centrale dell’evoluzione della pratica ortopedica: promuoviamo attività di ricerca e la stesura di Linee Guida su temi di grande rilevanza clinica, come le infezioni osteoarticolari e periprotesiche. In questo senso, la sfida del futuro è integrare ricerca sui biomateriali, innovazione tecnologica ed evidenze cliniche traducendo i progressi scientifici in benefici per i pazienti”.
