Grazie alla tecnologia delle stampanti in 3D, l’osso creato non sarà solo un sostituto temporaneo di quello mancante, ma in realtà aiuterà a rigenerare l’osso stesso. Secondo un team di ricercatori della Northwestern University, questa tecnologia potrà diventare una realtà prima di quanto si possa pensare.
Ossa che si rigenerano
Il team, guidato dal dr. Ramille N. Shah, ha sviluppato un inchiostro su misura che può essere utilizzato per creare quello che hanno soprannominato un impianto iperelastico osseo. Questo impianto è stato progettato per favorire la crescita delle cellule staminali attorno all’osso, in costante sostituzione dell’impianto con l’osso naturale. Negli esperimenti di laboratorio, fatti con le cellule staminali umane e una varietà di cellule staminali animali, l’impianto ha fatto proprio questo, il tutto senza causare effetti collaterali o innescare inavvertitamente il sistema immunitario. I risultati della squadra, da questi primi studi, sono stati pubblicati alla fine di settembre su Science Translational Medicine.
“La sua efficacia, la velocità di sintesi e la facilità d’uso in chirurgia lo distinguono da molti altri materiali oggi disponibili per la riparazione ossea“, hanno concluso gli autori.
L’impianto è costituito prevalentemente da qualcosa che già si trova comunemente nel corpo umano, una forma di calcio minerale chiamato idrossiapatite. I ricercatori sanno da tempo che l’idrossiapatite può innescare la rigenerazione ossea, ma gli attuali sforzi per usarlo come un blocco di costruzione di un impianto sono stati deludenti.
Con la sola idrossiapatite risultava fragile e pesante, gli scienziati quindi, hanno compensato a queste caratteristiche mescolandola con un polimero biodegradabile ampiamente utilizzato, un compromesso che ha indebolito la potenza rigenerativa dell’idrossiapatite. Diversamente ai disegni precedenti, tuttavia, la squadra della Northwestern è stata in grado di creare un materiale con un contenuto di idrossiapatite molto più elevato (90%), pur mantenendolo poroso e flessibile.
“La porosità deve essere enorme quando si tratta di rigenerazione dei tessuti, perché si vuole che le cellule e i vasi sanguigni si infiltrino nell’impalcatura scheletrica“, ha dichiarato Shah in un comunicato in cui annunciava le loro scoperte. “La struttura in 3-D ha diversi livelli di porosità che sono vantaggiosi per le sue proprietà fisiche e biologiche“.
L’adattabilità del materiale può anche permettere una maggiore personalizzazione in futuro, ha spiegato Shah.
“Siamo in grado di incorporare antibiotici per ridurre la possibilità di infezione dopo l’intervento chirurgico“, ha detto. “Siamo anche in grado di combinare l’inchiostro con diversi tipi di fattori di crescita, se necessario, per migliorare ulteriormente la rigenerazione. E’ davvero un materiale multifunzionale“.
Il futuro degli impianti sintetici
Naturalmente, ci vorrà molto tempo prima che qualsiasi di queste possibilità vadano a buon fine. Ma se la ricerca del team continuerà ad andare avanti, tutto ciò potrà significare molto per le vittime di incidenti, quelle sopravvissute al cancro, e altre persone affette da patologie ossee degenerative, soprattutto se e quando le stampanti 3D diventeranno un pilastro medico all’interno degli ospedali e delle cliniche.
“Il tempo di consegna per un impianto specializzato per un paziente potrebbe avvenire entro le 24 ore“, ha detto Shah. “Questo potrebbe cambiare il mondo della chirurgia cranio-facciale e ortopedica, e, spero, migliorerà i risultati del paziente“.
Sintetici e altri additivi
Esistono molti biomateriali e tessuti facilmente estensibili e le loro proprietà dipendono fortemente dalla loro origine e da come vengono trattati. I due tipi più comuni di estensori per l’autoinnesto sono i tessuti e i materiali sintetici (a volte simili alla ceramica).
I materiali sintetici lavorano attraverso l’osteoconduzione, una delle tre principali categorie di innesti ossei, e comprendono:
- Riempitivi ossei sintetici;
- materiali comuni che producono ceramiche;
- Altri additivi autologhi sono usati come estensori allogenici e sono osteoconduttivi se usati in combinazione con un ponteggio.
Riempitivi ossei sintetici
I materiali sintetici, risultati da sinterizzazione o riscaldamento, sono composti formati chimicamente, che di conseguenza si legano insieme. Ci sono molti metodi usati per la produzione di materiali sintetici, e numerosi composti chimici che possono essere combinati. Questo spiega in parte il gran numero di riempitivi ossei sintetici che sono disponibili.
Siccome i materiali sintetici sono creati chimicamente, e fanno parte di un processo produttivo controllato, le loro proprietà fisiche (cioè, la composizione, la morfologia e l’assorbibilità) sono eccezionalmente riproducibili. Alcune combinazioni di composti chimici possono ottimizzare la microstruttura dei materiali sintetici, consentendo ai granuli risultanti di imitare la porosità interconnessa dell’osso spugnoso umano. Quando i materiali sintetici sono costruiti in questo modo, possono offrire eccellenti proprietà osteoconduttive.
La maggior parte dei materiali sintetici viene bollata dalla FDA come un riempitivo di cavità ossea. Ciò significa che i materiali sintetici dovrebbero essere utilizzati solo quando il “vuoto” è minino e non intacca la stabilità del sistema scheletrico. In circostanze più impegnative, i materiali sintetici possono venire utilizzati per estendere il riempitivo se non ce n’è abbastanza.
Materiali comuni che vengono utilizzati per la fabbricazione di ceramiche
Idrossiapatite
L’idrossiapatite è una forma minerale naturale di apatite di calcio, con la formula Ca5 (PO4) 3 (OH). È considerata essere estremamente biocompatibile, dato che si trova nella componente minerale dell’osso. È un materiale comune usato come sostituto per gli innesti ossei.
È simile al componente minerale che si trova nelle ossa naturali, per molti aspetti, tranne per il fatto che contengono cristalli più grandi e più uniformi, con una composizione più omogenea rispetto a quelli che si trovano nelle ossa naturali. Si riassorbe molto lentamente nel corpo a causa di questa struttura più cristallina e organizzata, spesso mettendoci molti decenni.
Il fosfato tricalcico (TCP)
Il TCP (Ca3 (PO4) 2) è un altro composto che si trova comunemente nelle ossa. Il TCP è, in genere, più solubile e meno cristallino dell’idrossiapatite e il suo bioassorbimento cellulare è da 10 a 20 volte più veloce.
Il TCP è estremamente biocompatibile e funge da impalcatura osteoconduttiva. A causa della sua relativa solubilità, ha molti più problemi dei solfati di calcio per quanto riguarda il tempo di permanenza relativamente breve come sostituzione di un osso.
Il fosfato tricalcico è disponibile in due forme: TCP alfa e beta. L’alfa-TCP è più solubile ed ha un profilo di bioassorbimento più veloce rispetto al beta-TCP.
Fosfato di calcio bifasico
Combinando HA e TCP, risulta il fosfato di calcio bifasico (BCP). Le sue proprietà di riassorbimento dipendono dalle quantità relative di HA e TCP nel trapianto osseo.
La differenza principale tra HA e TCP sono i loro tassi di riassorbimento quando impiantati nel corpo. L’HA riassorbe molto lentamente, e il TCP si riassorbe in tempi relativamente brevi. Insieme danno luogo al fosfato di calcio, che si trova nel midollo naturale. Entrambi sono molto fragili ma duri e sono materiali biocompatibili che possono essere sintetizzati chimicamente.
Solfato di calcio
Conosciuto anche come gesso, il solfato di calcio (CaSO4) è comunemente usato come un riempitivo di cavità ossee o come vettore per la distribuzione agli antibiotici.
Possiede una solubilità prevedibile e una bioriassorbibilità entro un periodo di alcune settimane, rendendolo così non ideale per un uso sostitutivo di innesto osseo dove sono richiesti interventi a lungo termine per la crescita ossea. I vantaggi del solfato di calcio sono che, come altri materiali sintetici, possono essere utilizzati per eliminare lo spazio vuoto.
