La cartilagine del ginocchio realizzata in laboratorio batte la realtà

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Una nuova cartilagine del ginocchio realizzata in laboratorio è il 26% più forte della cartilagine naturale in tensione, qualcosa come sospendere sette pianoforti a coda da un portachiavi e il 66% più forte in compressione, il che sarebbe come parcheggiare un'auto su un francobollo. (Credito: Daniel Thiele/Unsplash)

Un nuovo sostituto della cartilagine del ginocchio a base di gel è più forte e più durevole della cosa reale, secondo un nuovo studio.

Antidolorifici da banco, terapia fisica, iniezioni di steroidi: alcune persone hanno provato di tutto e stanno ancora affrontando il dolore al ginocchio.

Spesso il dolore al ginocchio deriva dalla progressiva usura cartilagine nota come osteoartrite, che colpisce quasi un adulto su sei, 867 milioni di persone, in tutto il mondo. Per coloro che vogliono evitare di sostituire l'intera articolazione del ginocchio, la nuova cartilagine potrebbe presto aiutare i pazienti a rimettersi in piedi velocemente, indolore e rimanere così.

Come riportato nella rivista Materiali funzionali avanzati, i test meccanici rivelano che l'idrogel, un materiale costituito da polimeri che assorbono l'acqua, può essere premuto e tirato con più forza della cartilagine naturale ed è tre volte più resistente all'usura.

Gli impianti realizzati con il materiale sono attualmente in fase di sviluppo da Sparta Biomedical e testati su pecore. I ricercatori si stanno preparando per iniziare le sperimentazioni cliniche sugli esseri umani il prossimo anno.

"Se tutto va secondo i piani, la sperimentazione clinica dovrebbe iniziare nell'aprile 2023", afferma Benjamin Wiley, professore di chimica alla Duke University che ha guidato la ricerca insieme a Ken Gall, professore di ingegneria meccanica e scienze dei materiali.

Cartilagine naturale del ginocchio

Per realizzare questo materiale, il team ha preso sottili fogli di fibre di cellulosa e li ha infusi con un polimero chiamato alcol polivinilico, una sostanza appiccicosa viscosa costituita da catene fibrose di molecole ripetute, per formare un gel.

Le fibre di cellulosa agiscono come le fibre di collagene nella cartilagine naturale, dice Wiley, danno forza al gel quando vengono allungati. L'alcol polivinilico lo aiuta a tornare alla sua forma originale. Il risultato è un materiale simile alla gelatina, il 60% di acqua, che è elastico ma sorprendentemente forte.

La cartilagine naturale può sopportare da 5,800 a 8,500 libbre per pollice rispettivamente di strappi e schiacciamenti, prima di raggiungere il punto di rottura. La versione realizzata in laboratorio è il primo idrogel in grado di gestire ancora di più. È il 26% più forte della cartilagine naturale in tensione, qualcosa come sospendere sette pianoforti a coda da un portachiavi e il 66% più forte in compressione, il che sarebbe come parcheggiare un'auto su un francobollo.


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"È davvero fuori scala in termini di forza dell'idrogel", afferma Wiley.

Il team ha già realizzato idrogel con proprietà notevoli. Nel 2020 hanno riferito di aver creato il primo idrogel abbastanza forte per le ginocchia, che sentono la forza di due o tre volte il peso corporeo ad ogni passo.

L'uso pratico del gel come sostituto della cartilagine, tuttavia, ha presentato ulteriori sfide di progettazione. Uno era raggiungere i limiti superiori della forza della cartilagine. Attività come saltare, fare un affondo o salire le scale esercitano una pressione di circa 10 Megapascal sulla cartilagine del ginocchio, o circa 1,400 libbre per pollice quadrato. Ma il tessuto può impiegare fino a quattro volte prima di rompersi. "Sapevamo che c'era spazio per miglioramenti", dice Wiley.

Gli impianti di ginocchio non durano per sempre

In passato, i ricercatori che tentavano di creare idrogel più forti utilizzavano un processo di congelamento-scongelamento per produrre cristalli all'interno del gel, che scacciano l'acqua e aiutano a tenere insieme le catene polimeriche. Nel nuovo studio, invece di congelare e scongelare l'idrogel, i ricercatori hanno utilizzato un trattamento termico chiamato ricottura per convincere ancora più cristalli a formarsi all'interno della rete polimerica.

Aumentando il contenuto di cristalli, i ricercatori sono stati in grado di produrre un gel in grado di resistere a uno stress cinque volte maggiore dovuto alla trazione e quasi il doppio alla spremitura rispetto ai metodi di congelamento-scongelamento. La maggiore resistenza del gel ricotto ha anche aiutato a risolvere una seconda sfida progettuale: fissarlo all'articolazione e farlo rimanere in posizione.

La cartilagine forma uno strato sottile che copre le estremità delle ossa in modo che non si sfreghino l'una contro l'altra. Studi precedenti non sono stati in grado di attaccare gli idrogel direttamente all'osso o alla cartilagine con una forza sufficiente per evitare che si allentino o scivolino via. Quindi il team di Duke ha escogitato un approccio diverso.

Il loro metodo di fissaggio prevede la cementazione e il bloccaggio dell'idrogel su a titanio base. Questo viene quindi pressato e ancorato in un foro dove un tempo si trovava la cartilagine danneggiata. I test mostrano che il design rimane fissato il 68% più saldamente rispetto alla cartilagine naturale sull'osso.

"Un'altra preoccupazione per le protesi di ginocchio è l'usura nel tempo, sia dell'impianto stesso che della cartilagine opposta", afferma Wiley.

"Un drammatico cambiamento di trattamento"

Altri ricercatori hanno provato a sostituire la cartilagine danneggiata con protesi al ginocchio in metallo o polietilene, ma poiché questi materiali sono più rigidi della cartilagine possono sfregare contro altre parti del ginocchio.

Nei test di usura, i ricercatori hanno preso la cartilagine artificiale e la cartilagine naturale e le hanno fatte ruotare l'una contro l'altra un milione di volte, con una pressione simile a quella che subisce il ginocchio durante la deambulazione.

Usando una tecnica di scansione a raggi X ad alta risoluzione chiamata tomografia microcomputerizzata (micro-CT), gli scienziati hanno scoperto che la superficie della loro versione realizzata in laboratorio resisteva tre volte meglio di quella reale. Tuttavia, poiché l'idrogel imita la natura liscia, scivolosa e morbida della cartilagine reale, protegge le altre superfici articolari dall'attrito mentre scivolano contro l'impianto.

La cartilagine naturale è una sostanza straordinariamente resistente. Ma una volta danneggiato, ha una capacità di guarigione limitata perché non ha vasi sanguigni, dice Wiley.

Negli Stati Uniti, osteoartrite è due volte più comune oggi rispetto a un secolo fa. La chirurgia è un'opzione quando i trattamenti conservativi falliscono. Nel corso dei decenni i chirurghi hanno sviluppato una serie di approcci minimamente invasivi, come la rimozione della cartilagine allentata o la creazione di fori per stimolare una nuova crescita o il trapianto di cartilagine sana da un donatore. Ma tutti questi metodi richiedono mesi di riabilitazione e una certa percentuale fallisce nel tempo.

Generalmente considerata l'ultima risorsa, la sostituzione totale del ginocchio è un modo collaudato per alleviare il dolore. Ma neanche le articolazioni artificiali durano per sempre. In particolare per i pazienti più giovani che vogliono evitare un intervento chirurgico importante per un dispositivo che dovrà solo essere sostituito di nuovo in futuro, dice Wiley, "non ci sono opzioni molto buone là fuori".

"Penso che questo sarà un cambiamento drammatico nel trattamento delle persone in questa fase", afferma Wiley.

Sparta Biomedical e la Shared Materials Instrumentation Facility della Duke University hanno finanziato il lavoro. Wiley e Gall sono azionisti di Sparta Biomedical.

Fonte: Duke University


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