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Lo strato sottile e scivoloso di cartilagine tra le ossa del ginocchio è roba magica: abbastanza forte da resistere al peso di una persona, ma abbastanza morbido ed elastico da attutire gli impatti, per decenni di uso ripetuto. Quella combinazione di morbido ma forte è stata difficile da riprodurre in laboratorio. Ma ora, i ricercatori della Duke University affermano di aver creato un gel sperimentale che è il primo ad abbinare la forza e la durata della cartilagine.
Il materiale può apparire come un lontano cugino di Jell-O – che è – ma è incredibilmente forte. È composto per il 60% da acqua, ma un singolo disco delle dimensioni di un quarto può sopportare il peso di un attrezzo di circa 46 kg senza strapparsi o perdere forma.
I suoi sviluppatori affermano che è il primo idrogel – materiali realizzati con polimeri che assorbono l’acqua – in grado di resistere a tiri e carichi pesanti, nonché alla cartilagine umana, senza logorarsi nel tempo.
Guidati dagli scienziati della chimica e dei materiali della Duke, Ben Wiley e Ken Gall, la ricerca potrebbe un giorno offrire alle persone con problemi al ginocchio una sostituzione della cartilagine danneggiata e un’alternativa ai 600.000 interventi di sostituzione del ginocchio eseguiti negli Stati Uniti ogni anno.
Un tessuto liscio e gommoso che copre le estremità delle ossa e consente loro di scivolare uniformemente l’uno contro l’altro, la cartilagine aiuta ad assorbire un’enorme quantità di forza ad ogni passo, in genere tra due e tre volte il peso corporeo.
“Tuttavia, la cartilagine ha anche una capacità limitata di guarire e riparare se stessa. Una volta usurata a causa dell’età, uso eccessivo o trauma, il danno alla cartilagine è difficile da trattare”, ha detto Gall, Professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la Duke.
Per i pazienti che vogliono evitare o rimandare una sostituzione del ginocchio che può durare solo 20 anni, la cartilagine artificiale può aiutare. Gli idrogel sono stati esplorati per l’uso come sostituti della cartilagine dagli anni ’70 e sono utilizzati in lenti a contatto morbide e pannolini usa e getta. I ricercatori sono attratti da questi materiali a causa delle loro proprietà scivolose, assorbenti gli urti e perché non danneggiano le cellule vicine. Ma fino ad ora si sono rivelati troppo deboli per essere utilizzati in articolazioni portanti come il ginocchio.
“Abbiamo deciso di realizzare il primo idrogel che ha le proprietà meccaniche della cartilagine “, afferma Ben Wiley, Professore di chimica della Duke University.
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Il nuovo idrogel è costituito da due reti polimeriche intrecciate: una fatta di fili elastici simili a spaghetti e l’altra più rigida con cariche negative lungo la sua lunghezza. Queste reti sono rinforzati con un terzo ingrediente, una maglia di fibre di cellulosa.
Quando il gel viene allungato, le fibre di cellulosa resistono alla trazione e aiutano a tenere insieme il materiale. E quando viene schiacciato, le cariche negative lungo le rigide catene polimeriche si respingono e si attaccano all’acqua, aiutandolo a tornare alla sua forma originale.
“Solo questa combinazione di tutti e tre i componenti è sia flessibile che rigida e quindi forte”, ha detto il co-autore Feichen Yang, che ha conseguito un dottorato in chimica nel laboratorio di Wiley.
Quando i ricercatori hanno confrontato il materiale risultante con altri idrogel, il loro è stato l’unico forte quanto la cartilagine, sia sotto forma di schiacciamento che di stiramento.
In un esperimento, il team lo ha sottoposto a 100.000 cicli di trazione ripetuta e il materiale ha resistito allo stesso modo del titanio poroso utilizzato per gli impianti ossei. “Ed ha superato le nostre aspettative iniziali”, ha affermato il co-autore William Koshut, un Ph.D., studente nel laboratorio di Gall.
I ricercatori hanno anche sfregato il nuovo materiale un milione di volte. Hanno scoperto che la sua superficie autolubrificante liscia e scivolosa è resistente all’usura ed è quattro volte più resistente all’usura rispetto agli impianti di cartilagine sintetica attualmente approvati dalla FDA per l’uso nell’alluce.
“Spostare il materiale dal laboratorio alla clinica richiederà almeno altri tre anni”, ha detto Wiley. I primi test di sicurezza suggeriscono che il materiale non è tossico per le cellule coltivate in laboratorio. Il prossimo passo è progettare un impianto che i ricercatori possano testare sugli ovini.
