I microrobot imitano la crescita ossea: nuovi possibili sviluppi in aiuto delle cure delle fratture

Ispirandosi alla crescita delle ossa nello scheletro, i ricercatori delle università di Linköping (Svezia) e Okayama (Giappone) hanno sviluppato una combinazione di materiali che possono trasformarsi in varie forme prima dell’indurimento. Il materiale è inizialmente morbido, ma in seguito si indurisce attraverso un processo di sviluppo osseo che utilizza gli stessi materiali presenti nello scheletro.

Quando nasciamo, abbiamo delle lacune nei nostri crani che sono ricoperte da pezzi di tessuto connettivo morbido chiamati fontanelle. È grazie alle fontanelle che i nostri crani possono deformarsi durante il parto e passare con successo attraverso il canale del parto. Dopo la nascita, il tessuto della fontanella si trasforma gradualmente in osso duro. Ora, i ricercatori hanno combinato materiali che insieme assomigliano a questo processo naturale. “Vogliamo usarlo per applicazioni in cui i materiali devono avere proprietà diverse in momenti diversi. Innanzitutto, il materiale è morbido e flessibile, quindi si blocca in posizione quando si indurisce. Questo materiale può essere utilizzato, ad esempio, in fratture ossee complicate. Potrebbe anche essere utilizzato nei microrobot: questi morbidi microrobot possono essere iniettati nel corpo tramite una siringa sottile, quindi si aprono e sviluppano le proprie ossa rigide“, ha affermato Edwin Jager, professore associato presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia presso l’Università di Linköping.

Diversi tipi di forma e rigidità

L’idea è nata durante una visita di ricerca in Giappone, quando lo scienziato dei materiali Edwin Jager ha incontrato Hiroshi Kamioka ed Emilio Hara, che svolgono ricerche sulle ossa. Ricercatori giapponesi hanno scoperto un tipo di biomolecola che potrebbe stimolare la crescita ossea in un breve periodo di tempo. Sarebbe possibile combinare questa biomolecola con la ricerca sui materiali di Jager per sviluppare nuovi materiali con rigidità variabile?

Nello studio pubblicato sulla rivista Advanced Materials, i ricercatori hanno costruito una specie di semplice microrobot che può assumere forme diverse e modificare la rigidità. I ricercatori hanno iniziato con un materiale gel chiamato alginato. Su un lato del gel cresce un materiale polimerico. Questo materiale è elettroattivo e cambia volume quando viene applicata una bassa tensione, facendo piegare il microrobot in una direzione specificata. Sull’altro lato del gel, i ricercatori hanno attaccato biomolecole che consentono al materiale in gel morbido di indurirsi. Queste biomolecole vengono estratte dalla membrana cellulare di un tipo cellulare importante per lo sviluppo osseo. Quando il materiale viene immerso in un mezzo di coltura cellulare, un ambiente che ricorda il corpo e contiene calcio e fosforo, le biomolecole fanno sì che il gel si mineralizzi e si indurisca come l’osso.

Una potenziale applicazione di interesse per i ricercatori è la guarigione delle ossa. L’idea è che il materiale morbido, alimentato dal polimero elettroattivo, possa spostarsi negli spazi di complicate fratture ossee ed espandersi. Quando il materiale si indurisce, può costituire la base per la costruzione di nuovo osso. Nel loro studio, i ricercatori dimostrano che il materiale può avvolgersi attorno alle ossa di pollo e l’osso artificiale che si sviluppa in seguito cresce insieme all’osso di pollo.

Creando modelli sul gel, i ricercatori possono determinare come si piegherà il semplice microrobot quando viene applicata la tensione. Le linee perpendicolari sulla superficie del materiale fanno piegare il robot a semicerchio, mentre le linee diagonali lo fanno piegare come un cavatappi. “Controllando come ruota il materiale, possiamo far muovere il microrobot in modi diversi e anche influenzare il modo in cui il materiale si svolge nelle ossa rotte. Possiamo incorporare questi movimenti nella struttura del materiale, rendendo superflui programmi complessi per guidare questi robot“, ha affermato Edwin Jager.

Per saperne di più sulla biocompatibilità di questa combinazione di materiali, i ricercatori stanno ora esaminando come le loro proprietà interagiscono con le cellule viventi.