Un impianto a base di idrogel è più forte e più durevole della cartilagine naturale

L’artrosi delle ginocchia colpisce circa un adulto su sei nel mondo. I medici hanno a lungo sostenuto solo trattamenti sintomatici, compresi gli antidolorifici. Le tecnologie a base di idrogel stanno ora beneficiando di progressi significativi e potrebbero presto consentire un ripristino completo delle funzioni meccaniche delle articolazioni, fornendo così un comfort duraturo ai pazienti. Recentemente, un nuovo idrogel sviluppato da Sparta Biomedical e Duke University ha dimostrato proprietà funzionali e meccaniche superiori rispetto alla cartilagine naturale del ginocchio. Attualmente in fase di sperimentazione sugli ovini, la tecnologia è la più promettente del suo genere e potrebbe entrare in studi clinici già dal prossimo anno.

La malattia articolare più comune, l’artrosi, è dovuta all’usura della cartilagine che sostiene le articolazioni, conferendo loro flessibilità nei movimenti e alleviando l’attrito. In particolare la cartilagine perde spessore, si screpola e in alcuni casi finisce per fondersi completamente. Poiché le ginocchia sostengono un peso molto elevato, oltre alla necessità di compiere movimenti intensi, sono spesso le prime aree in cui compare la malattia nei pazienti, dopo la colonna vertebrale e le dita. Un forte movimento combinato con uno spessore ridotto della cartilagine provoca un forte dolore, che può diventare una disabilità significativa.

« La cartilagine naturale è un materiale straordinariamente durevole. Ma una volta danneggiato, ha una capacità di guarigione limitata, poiché non ha vasi sanguigni “,” spiegare Benjamin Wiley, co-autore principale del nuovo studio che presenta il nuovo idrogel, che appare sulla rivista materiali funzionali avanzati e professore di chimica alla Duke University.

Negli ultimi decenni il numero di casi di artrite ha continuato ad aumentare: la malattia colpisce ormai quasi 867 milioni di persone. E sebbene i meccanismi di degradazione della cartilagine non siano ancora del tutto chiariti, è noto che essa è guidata da diversi fattori, alcuni dei quali corrispondono alle tendenze attuali, come l’obesità e il diabete. Tuttavia, l’età rimane il principale fattore di diffusione della malattia.

Per quanto riguarda i trattamenti, la chirurgia viene scelta come ultima risorsa quando il dolore non può essere alleviato dagli analgesici. I chirurghi hanno sviluppato tecniche di sostituzione dell’articolazione relativamente minimamente invasive, come la rimozione della cartilagine lassa, la perforazione di fori per stimolare la rigenerazione della cartilagine o il trapianto di cartilagine sana da un donatore. Tuttavia, queste tecniche richiedono diversi mesi di riabilitazione e hanno una bassa percentuale di successo.

Il nuovo idrogel sviluppato da Sparta Biomedical mira ad eliminare questi problemi, sostituendo la cartilagine in modo più efficace e continuativo rispetto agli impianti naturali di cartilagine. Quest’ultimo può sopportare da 5.800 a 8.500 psi (da circa 40.000 a 58.600 kPa) in tensione e compressione. Nel frattempo, il nuovo idrogel può sopportare il 26% in più di trazione e il 66% in più di pressione.

« È davvero fuori dal mondo in termini di forza dell’idrogel grida Willie. In effetti, questo è paragonabile a mettere l’auto su una piccola superficie come un francobollo senza che si comprima oltre il punto di rottura. Il nuovo idrogel è anche tre volte più resistente all’usura della cartilagine naturale.

Il nuovo processo di “ricottura”.

Il nuovo materiale Sparta Biomedical è costituito da sottili fogli di fibre di cellulosa, riempiti con un polimero di alcol polivinilico. La miscela si trasforma in gel grazie alla sua costituzione in lunghe catene di molecole ripetitive. La cellulosa funziona allo stesso modo della cartilagine naturale, ma conferisce al gel set una maggiore resistenza allo stiramento. L’alcol polivinilico viene quindi lasciato riportare alla sua forma originale, come un elastico. La miscela è composta per il 60% da acqua, quindi la miscela è molto flessibile ma particolarmente resistente.

In particolare, il team di ricerca ha già sviluppato un idrogel in grado di adattarsi alle ginocchia e sostenere da due a tre volte più peso corporeo quando si cammina rispetto alla cartilagine naturale. Tuttavia, necessitava di miglioramenti, soprattutto perché non sopportava la forza esercitata quando si salta o si sale le scale. Queste azioni in particolare possono esercitare una pressione fino a 10 MPa sulle ginocchia.

Nella ricerca precedente, gli scienziati hanno scelto un processo di “congelamento-scongelamento” per rendere gli idrogel più forti, grazie alla formazione di cristalli tra i legami polimerici. Nel nuovo processo, hanno utilizzato un processo di “ricottura” termico per formare più cristalli, risultando in un idrogel più forte. Questo processo innovativo consente al nuovo idrogel di resistere a cinque volte la forza di trazione e raddoppiare la pressione di quella migliorata dallo scongelamento del gelo.

Il nuovo trattamento termico ha inoltre permesso al gel di aderire a un’articolazione e di non scivolare quando il paziente era in movimento, uno dei maggiori inconvenienti degli idrogel tradizionali. Il dispositivo del team Wiley è in realtà costituito da una base in titanio su cui l’idrogel può attaccarsi efficacemente. L’assemblaggio viene quindi impiantato nell’area in cui la normale cartilagine è stata danneggiata. I test meccanici hanno mostrato che il dispositivo ha il 68% in più di capacità di fissazione rispetto alla normale cartilagine.

Per i test di usura, i ricercatori hanno strofinato la cartilagine artificiale contro la cartilagine naturale usando movimenti di rotazione (un milione) e una pressione simile alla pressione che il ginocchio avrebbe sopportato quotidianamente. Il risultato: la versione sintetica ha subito un’usura tre volte inferiore. Va inoltre notato che la struttura liscia e morbida della nuova cartilagine può proteggere il resto della superficie articolare dall’attrito causato dall’impianto. La tecnologia è attualmente in fase di test in vivo sulle pecore e Se tutto va come previsto, la sperimentazione clinica dovrebbe iniziare nell’aprile 2023 conclude Wiley.

fonte : materiali funzionali avanzati