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15 FEBBRAIO 2018

SCIENCE TIME REALIZZATO DALLA 4 i DEL LICEO SCIENTIFICO G.GALILEI DI POTENZA

APPROFONDISCI PRO e CONTRO delle artificial skin

RAGNATELE…LA NOSTRA NUOVA PELLE Scopriamo passo per passo l’indagine svolta da un gruppo di scienziati per trasformare la tela dei ragni in perfetta pelle umana La rigenerazione della pelle rappresenta una sfida importante per la chirurgia plastica in quanto essa non è solo il più grande, ma anche uno degli organi più complessi e con funzioni altrettanto complesse. È stato ipotizzato che il sostituto ideale della pelle artificiale dovrebbe avere funzioni affini a quella istologica e fisiologica della pelle umana nativa ma, allo stato attuale, tutti i sostituti della pelle ingegnerizzati disponibili per uso clinico non soddisfano i criteri di una pelle completamente funzionale. In questa rivista scopriremo come un gruppo di scienziati è riuscito a sintetizzare un biopolimero altamente efficiente per questo scopo partendo dalla semplice tela di ragno.

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INTRODUZIONE

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RISULTATI

METODI 1

ESPLORA Ragnatele…piccoli capolavori di ingegneria

INDAGA… Cos’è un biopolimero?


SCIENCE TIME

15 FEBBRAIO 2018

LA PELLE, UN ORGANO MOLTO IMPORTANTE… Si può considerare la pelle come un solo organo che ospita al proprio interno una serie di formazioni anatomiche diverse: ghiandole, terminazioni nervose, vasi, formazioni pilifere.

STRUTTURA

FUNZIONE

EPIDERMIDE La funzione della pelle è quella di delimitare l'organismo e di consentire una certa individuazione dell'ambiente, svolgendo funzioni di protezione meccanica dagli agenti esterni, di controllo della temperatura e degli scambi idrici; inoltre le formazioni anatomiche a cui dà ospitalità svolgono un ruolo fondamentale nella raccolta di informazioni che vengono dall'esterno e che devono essere elaborate nel cervello. Quindi l'apparato tegumentario è importante sia per la vita di relazione, sia per

E’ un tessuto epiteliale costituito da cellule stratificate che si dividono molto rapidamente e sostituiscono quelle eliminate dal corpo per abrasione. Le cellule negli strati più esterni si riempiono di una proteina fibrosa detta cheratina e secernono un particolare glicolipide che rende la superficie impermeabile.

DERMA

quella vegetativa.

È uno strato di tessuto connettivo che comprende fibre collagene ed elastiche, molto vascolarizzato e fornito di una buona rete linfatica e di molte terminazioni nervose. Esso ospita anche annessi cutanei come ghiandole sudoripare, ghiandole sebacee, bulbi piliferi.

IPODERMA Detto anche tessuto sottocutaneo, è ricco di tessuto connettivo a trama lassa, in cui sono raccolte cellule adipose in quantità variabile a seconda delle condizioni di nutrizione dell'organismo e con disposizione diversa in conseguenza del sesso e dello stato ormonale del soggetto.

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…MA ANCHE SPESSO A RISCHIO Essendo un organo a stretto contatto con l’ambiente esterno che contiene una grande varietà di ghiandole ed annessi cutanei, la pelle è soggetta a molte patologie, alcune delle quali possono essere curate solo con la sostituzione di porzione di cute, cose che avviene grazie alle protagoniste di questa rivista, le cosiddette “artificial skin”. Vediamo di seguito le categorie più comuni di patologie della pelle.

MALATTIE PAPULO-SQUAMOSE Sono malattie che colpiscono lo strato più superficiale della pelle, l’epidermide, determinando prurito, bruciore ed eruzioni cutanee di vario tipo, anche pericolose. Tra le più comuni troviamo l’orticaria, i diversi tipi di dermatite o la psoriasi.

ALTERAZIONI DELLA PIGMENTAZIONE L’esempio più noto e diffuso è quello delle lentiggini. Generalmente non si tratta di malattie pericolose.

INFEZIONI BATTERICHE-VIRALI INFESTAZIONI DA PARASSITI L’esempio più comune è quello di acne, una malattia provocata dall’intasamento dei follicoli piliferi che si riempiono di un eccesso di sebo. Altri esempi comuni sono le verruche.

Queste patologie riguardano più che altro il mondo animale. Nell’uomo una delle forme più comuni è la pediculosi.

MALATTIE VESCICOLO-BOLLOSE USTIONI Le ustioni possono essere di varia entità secondo l'intensità della temperatura, la durata del contatto e lo stato fisico della sostanza ustionante (solida, liquida o gassosa); in relazione alla gravità vengono distinte in tre gruppi: ustioni di primo grado che sono le più lievi perché la lesione è limitata allo strato dell’epidermide, di secondo grado quando è coinvolto in parte anche il derma e di terzo grado quando tutti i tessuti sottostanti risultano danneggiati.

Come dice il termine stesso, tali malattie si manifestano con la comparsa di bolle o vescicale sulla pelle. Un esempio noto è l’eritema multiforme.

TUMORI Possono essere maligni (es melanoma) o benigni (es angioma). In molti casi i tumori benigni possono essere rimossi con l’asportazione del tessuto cutaneo coinvolto.

*in rosso le patologie che determinano un alto rischio di sostituzione del tessuto cutaneo danneggiato. In azzurro invece le patologie da cui è possibile guarire con semplici cure mediche

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LE ARTIFICIAL SKIN, LA NUOVA SCOPERTA DELLA BIOMEDICINA

Con il moderno termine “artificial skin” viene indicato un gruppo di sostituti cutanei  biologicamente attivi, sviluppati ed utilizzati nella terapia delle gravi lesioni cutanee, ad esempio le ustioni, in alternativa ai  trapianti  cutanei, che prevedono la sostituzione di un  organo  o di un  tessuto  con un altro prelevato dallo stesso individuo (omotrapianto o autotrapianto), da un altro individuo (allotrapianto) o da un i n d i v i d u o d i  s p e c i e  d i v e r s a (xenotrapianto). La guarigione di ferite pulite e non infette, che non rispondono completamente a trattamenti ordinari può essere accelerata mediante l’innesto di sostituti dermici, che determinano un’abbondante crescita tessutale. Il concetto di pelle artificiale in se non è una novità: già nel diciottesimo secolo si curavano le ferite applicandovi sopra la pelle di particolari tipi di lucertole. Fino a qualche decennio fa, gli unici strumenti disponibili in gran parte ancora utilizzati erano trapianti

effettuati utilizzando pelle animale oppure prelevata da cadavere, da donatore vivente o dal paziente stesso. Da metà degli anni ’70 però si è cominciato a “coltivare” in vitro cellule di epidermide per produrre sottili sfoglie di pelle, o meglio, di cheratinociti, uno dei principali tipi di cellule che compongono l’epidermide. Cellule che però mancano di una“base” e non sono in grado, quindi, da sole di creare la nuova pelle. Le sfoglie di cheratinociti sono state quindi integrate con una superficie di collagene bovino o più recentemente di silicone, che però doveva comunque essere rimossa. Da qualche anno, grazie alle tecniche di ingegneria genetica, è possibile anche coltivare “in vitro” pelle umana, utilizzando soprattutto cellule ricavate dal prepuzio di neonati circoncisi, una pratica che non ha mancato di provocare polemiche.
 E intanto la ricerca continua a percorrere altre strade, come quella della pelle artificiale a base di acido ialuronico ideata dagli

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specialisti del dipartimento di istologia dell’Università di Padova. Al giorno d’oggi , grazie agli importanti sviluppi di ingegneria tissutale  nel simulare sempre meglio struttura e funzionalità della pelle umana, le più avanzate pelli artificiali possono contenere 4 componenti fondamentali: cellule cutanee , prevalentemente cheratinociti e fibr oblasti, ma la ricerca si sta focalizzando anche su altre  cellule somatiche o staminali un’ impalcatura tridimensionale (nota come  scaffold) che può interagire in certi casi anche come matrice extracellulare in cui le cellule possono migrare. fattori di crescita  e di adesione, (anche sotto forma di cellule non vitali). sensori e trasduttori che simulano il senso del tatto


APPROFONDISCI ! PRO E CONTRO DELLE ARTIFICIAL SKIN Tanti vantaggi…ma anche qualche problema da risolvere

PRO

CONTRO

• M i n o r r i s c h i o d i r i g e t t o  e

M a n c a n z a d i g h i a n d o l e sebacee, sudoripare, follicoli piliferi,

Nervi periferici, pori, cellule del sistema immunitario.

Non sono disponibili cellule non immunogeniche se non i fibroblasti neonatali.

Tempi lunghi nel caso in cui si coltivino cellule autologhe.

Processi di produzione e distribuzione complessi e costosi.

Cicatrici permanenti.

Perdita del tatto (in molti casi).

trasmissione malattie rispetto ai trapianti • Maggiore disponibilità e possibilità di

coprire anche aree molto ampie. • Non richiedono la rimozione del

tessuto dal paziente stesso, come nell'autotrapianto. • Evitano che l’area interessata si

asciughi.

• Riducono la perdita di proteine

essudative e cellule ematiche. • Riducono il rischio di infezioni  e

funge da barriera. • Favoriscono la guarigione fornendo

una guida strutturale alla rigenerazione del tessuto sottostante. • Forniscono cellule, matrice

extracellulare e fattori di crescita  o di adesione che contribuiscono ai processi rigenerativi.

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UN’ ARTIFICIAL SKIN UN PO’ INSOLITA…

… MA EFFICACE !!! LE CARATTERISTICHE DI UNA PERFETTA “ARTIFICIAL SKIN”

Le matrici utilizzate di routine nelle applicazioni terapeutiche sono costituite da materiali di derivazione naturale come il collagene Sebbene siano stati pubblicati dati promettenti, questi materiali hanno scarse proprietà meccaniche in vivo e vi sono preoccupazioni sulla trasmissione della malattia nei materiali naturali. Ci sono due sfide chiave: migliorare le carenze in termini di bassa resistenza meccanica e proprietà di degradazione; e la fabbricazione di una complessa architettura interna porosa in grado di dirigere la crescita dei tessuti. Allo stato attuale, tutti i sostituti della pelle ingegnerizzati disponibili per uso clinico non soddisfano ancora i criteri di una pelle completamente funzionale .

• promuovere l’attaccamento, la proliferazione e la

crescita delle cellule. • degradarsi in un periodo di tempo appropriato

senza lasciare cicatrici. • non rilasciare sostanze nocive. • non esercitare una risposta immunitaria

patologica. • essere particolarmente resistente alla tensione e

alla temperatura.

Sono quindi ricercati materiali alternativi per le nuove “artificial skin” ed una troupe di ricercatori americani ha proposto come potenziale candidato nientemeno che la seta dei ragni. Nonostante secoli di uso come suture o copertura delle ferite per fermare le emorragie e promuovere la guarigione delle ferite, le sete sono infatti state recentemente riscoperte come biomateriali utili per molte applicazioni nella riparazione clinica e come trame per l'ingegneria tissutale.

• rispettare tutte le caratteristiche della normale

pelle come l’impermeabilità, la sensibilità ecc.

LE CARATTERISTICHE DI UNA PERFETTA TELA DI RAGNO

• eccellenti caratteristiche meccaniche che

eguagliano anche le fibre high-tech create dall’uomo. • stabili in un ampio intervallo di temperature fino a

250 ° C. • flessibili e insolubili in molti solventi organici ed

acquosi nonché in acidi e basi deboli • solo una piccola risposta immunogenica. • le proteine della seta favoriscono l'attaccamento

e la crescita delle cellule fino al collagene

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ESPLORA! RAGNATELE…PICCOLI CAPOLAVORI DI INGEGNERIA Principali utilizzi I filamenti della ragnatela sono una treccia di cavi molto complessi che i ragni tessono allo scopo di intrappolare le proprie prede. Alcune specie la usano in realtà come un sensore che trasmette le vibrazioni degli insetti di passaggio nelle vicinanze e non sempre i ragni usano la tela per cacciare. Tutti però la impiegano a scopo protettivo, per foderare le uova, o l come fune di sicurezza durante le arrampicate su rocce e piante. La tela è realizzata mediante fili in materiale viscoso che gli stessi ragni producono secernendoli tramite apposite ghiandole (i seritteri), ma possono produrre anche dei fili non viscosi che servono come struttura. Composizione chimica Sembrerà strano ma esse sono composte per circa il 50% da una catena proteinica. A loro volta le proteine sono formate da aminoacidi,

principalmente glicina, alanina e serina, e ciascun tipo di tela ha la propria struttura aminoacidica. In definitiva, non sono altro che proteine. La restante parte delle sete è composta da pirolidina, potassio idrogeno fosfato e potassio nitrato. La prima ha proprietà fortemente igroscopiche, il potassio idrogeno fosfato abbassa il pH della tela ad un livello acido e il potassio nitrato è un forte antibatterico. Grazie a queste tre componenti la ragnatela, pur essendo proteica, non viene attaccata da batteri e funghi. Costruzione di una ragnatela Le ragnatele vengono costruite attraverso l'unione della seta in vari punti ben precisi perché la ragnatela regga la tensione, la pressione e il peso. Il ragno si cala da una estremità che poi sarà il punto di partenza della costruzione. Durante la "caduta libera", il ragno emette un filo di tela, che condurrà fino al punto

desiderato. Quindi risalirà fino al punto di partenza, si porterà più avanti, e si "lancerà" nuovamente, arrivando ad un altro punto dell'albero/muro/superficie che sia. Compiuta più volte l'azione, userà i fili così costruiti per buttarsi più in basso, intrecciando man mano la tela, lavorata per mezzo di apposite zampe a "pettine", e unendo in alcuni punti i fili precedentemente costruiti con altri. Proprietà tecniche La tela del ragno è molto elastica, può essere allungata del 30-40% prima che si spezzi. Per fare un paragone con un materiale considerato tra i più elastici alle deformazioni cioè l’acciaio, basterà dire che quest’ultimo può essere allungato solo dell’8% prima della rottura e il nylon del 20%. Il diametro medio di un filo componente una tela circolare è circa 0,15 micron. Pertanto possiamo vedere le ragnatele solo grazie al riflesso del sole sulle sete. Nonostante ciò, la seta di un ragno ha una robustezza che supera quelle di materiali come nylon e vetro e ferro.Anche la sua resistenza alla pressione è notevole, pari a circa 6 volte quella dell’acciaio.

POCHI FILI…INFINITE APPLICAZIONI Le applicazioni pratiche di questo materiale sono pressoché infinite: in campo medico,  le proprietà antimicrobiche della seta di ragno la rendono adatta per le suture delle ferite e può essere utilizzata a livello microchirurgico per fabbricare tendini artificiali o per ricoprire impianti. La sua composizione elastica è potenzialmente in grado di assorbire gli urti e ridurre la violenza dell’impatto e viene studiata come componente per cinture di sicurezza, cavi del paracadute e airbag per automobili. L’esercito americano intende impiegare le suddette fibre per la realizzazione di giubbotti antiproiettile estremamente leggeri e ultra-resistenti. In generale, la seta di ragno sintetica potrebbe sostituire materiali come l’acciaio in una vasta gamma di prodotti e i procedimenti messi a punto son in continuo sviluppo, ma il successo commerciale dipenderà dalla sua valutazione sul mercato, il quale si aggira già su decine di milioni di dollari.

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COME HANNO FATTO I RICERCATORI A TRASFORMARE LA TELA DI RAGNO IN PERFETTA PELLE UMANA? La risposta in 7 semplici passi

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1. ALLEVAMENTO E SELEZIONE DEI RAGNI

I primi animali sono stati allevati in un reparto specifico, in condizioni che stimolassero la loro produzione di seta. In particolare, la temperatura è stata mantenuta sopra i 17°C e l’umidità all’incirca sul 70%. Ragni maschi e femmine sono stati allevati insieme ed i bozzoli da essi ottenuti sono stati raccolti in teche di vetro per schiudersi e raggiungere una dimensione appropriata.

Nephila spider, il ragno utilizzato per l’esperimento

I ragni scelti per la realizzazione del b i o p o l i m e r o appartengono alla specie Nephila e sono noti per le imponenti tele che tessono. Essi vivono nelle regioni più calde del mondo e sono anche comunemente chiamati tessitori d'oro, ragni di legno giganti o ragni delle banane.

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2. RACCOLTA DELLA SETA

Solo le femmine adulte di ragno sono state utilizzate per la raccolta di seta. Ciò è avvenuto mediante la fissazione dei ragni all'indietro su un cubo di polistirolo con una benda di garza e aghi. La seta è stata estratta dalla filiera dei ragni stimolando la ghiandola ampollare maggiore, la principale protagonista della secrezione di proteine per la produzione della tela. La seta ottenuta è stata poi girata su una bobina.

La seta che è stata raccolta è d i tipo “dragline”. Infatti nella ragnatela riconosciamo due tipi di filamenti. Nelle maglie sono presenti dei filamenti che ricoperti da una liquido ghiandolare viscoso che li rende adesivi. Essi sono più fragili e meno elastici e servono soprattutto per catturare le prede ed avvolgere le uova. Il secondo tipo di filamenti sono appunto i filamenti “dragline” (in inglese, filo teso). Essi svolgono funzioni di sostegno della struttura per via delle loro incredibili proprietà tecniche, quali la resistenza alla pressione, la flessibilità e

3. INTELAIATURA

I telai sono stati prodotti con fili diritti in acciaio inossidabile dal diametro di 0,7 mm e poi sterilizzati a vapore a 121 ° C e una pressione di 2 bar e 100% di umidità prima dell'uso. La seta di ragno è stata tessuta sul telaio in schemi incrociati per raggiungere una dimensione di maglia compresa tra 10 e 100 μm. In questo modo, sono state generate due maglie, una superiore e una inferiore. Una bacchetta di seta di ragno è stata poi inserita nell'intercapedine di tra la maglia superiore e quella inferiore del telaio per supportare la migrazione cellulare nei due strati.

P e r

generare le condizioni fisiologiche delle pelle, che si trova a contatto con l’aria ambientale da un lato e con le sostanze nutritive dall’altro, i telai sono stati sollevati su una scala di silicone che è stata riempita con fibre polimeriche che consentivano l'approvvigionamento di nutrienti e l'evacuazione dei metaboliti per diffusione

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4. COLTURA CELLULARE

Dei particolari bioreagenti sono stati utilizzati per prevenire l'attaccamento delle cellule sul fondo dei piatti di coltura cellulare. I tipi di cellule utilizzati sono stati due: le cellule MEF (fibroblasti embrionali di topo ) e le HaCat (cheratinociti umani). Ovviamente le due tipologie sono state coltivati in piatti di coltura differenti, ma entrambi hanno aderito e proliferato sulla trama formata dalla resistente tela di ragno. Nell’imaging a cellule vive, le cellule MEF hanno mostrato una migrazione particolarmente rapida e sono state in grado di attraversare l'interspazio delle maglie usando le loro estensioni citoplasmatiche.

Per ottenere la struttura a due strati di un sostituto della pelle, le cellule sono state aggiunte in due fasi. Il primo tipo di cellula (MEF come equivalente del derma) è stato coltivato sotto mezzo MEF specifico fino a 14 giorni per generare un adeguato strato di cellule confluenti. Successivamente la scala in silicone è stata utilizzata per o t t e n e r e l'organizzazione epidermica delle cellule HaCaT successivamente aggiunte. Immagini microscopiche della coltura cellulare sulla tela di ragno

Ecco un modello esemplificativo della scala in silicone prodotta per generare i diversi strati della cute

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5. ANALISI E CORREZIONE DEI RISULTATI DELLA COLTURA 


I fibroblasti (MEF), come equivalente dermico, hanno mostrato morfologia a forma allungata e cheratinociti (HaCaT), come equivalente epidermico, hanno mostrato morfologia appiattita come cellule epiteliali in vivo. Tuttavia, non è stato possibile raggiungere lo sviluppo di due strati cellulari continuamente separati. In alcune parti, le cellule MEF sembravano invadere la linea cellulare HaCaT a proliferazione più lenta.

Come conseguenza di questi risultati, è stata promossa la crescita dei cheratinociti e ridotta la proliferazione dei fibroblasti , modificando le condizioni di coltura. Sono poi stati aggiunti diversi supplementi al supporto basale e sono state modificate le concentrazioni dei mezzi di coltura, così entrambi gli equivalenti dell'epidermide e del derma sono stati resi separati e continui. Infine, sono state modificate le porzioni di biotessuto in cui, a causa di un eccesso di seta, il derma risultava decentrato.

Le diverse porzioni del biotessuto dopo le correzioni apportate

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6. CREAZIONE DI UN MODELLO TRIDIMENSIONALE

I telai con seta ragno intrecciata sono stati collocati in un pozzetto contenente 100 microlitri di sospensione cellulare MEF che costituisce il derma, quindi lo strato sottocutaneo. Successivamente, nell’arco di circa 5 settimane è stato completato il processo aggiungendo prima delle fibre polimeriche e dopo le cellule HaCaT, così da ottenere una stratificazione regolare. Dopo due settimane è stata svolta la coltivazione dell’interfaccia liquido-aria.

Per promuovere l'attaccamento cellulare sulle piastre di fibre di seta, i piatti di coltura sono stati posti in un incubatore per 30 minuti, successivamente riempiti con 2 ml di terreno specifico per coltura e coltivati per due settimane, aggiungendo gradualmente dei particolari bioreagenti e variando le condizioni dell’ambiente. Le sezioni di pelle ottenute sono poi state colorate con coloranti chimici, poi risciacquate e quindi impermeabilizzate e trattate con anticorpi primari. Il tutto per rendere il biopolimero ottenuto il più possibile simile, in aspetto e funzioni, alla pelle umana.

7. TEST FINALI

Il test di vitalità cellulare LIVE / DEAD è stato condotto utilizzando microscopi a fluorescenza per determinare la quantità di cellule viventi nei fotogrammi seminati. Le cellule evidenziate in rosso sono le uniche morte, in una percentuale molto bassa (2%)

Infine, sono state svolte tutte le necessarie analisi immuniistologiche per verificare che il tessuto ottenuto non fosse dannoso agli altri organi in contatto con esso.

Successivamente è stati condotto anche un test di resistenza, in cui i filamenti umidi del biopolimero sono stati estesi fino alla rottura. Grazie ad un apposito tester è stata calcolata la tensione massima. 12


INDAGA ! COSA SONO I TANTO UTILI BIOPOLIMERI? Abbiamo visto una loro applicazione nella tela di ragno, ma questo è solo uno dei possibili impieghi di tali strabilianti materiali

Negli ultimi anni la ricerca scientifica ed industriale ha cercato strade alternative ai polimeri “classici”, attraverso lo studio e la creazione delle così dette bioplastiche o biopolimeri. Esse sono matrici derivate principalmente da zuccheri e dai loro polimeri. Proprio grazie a questa loro derivazione (di fatto sono costituiti dagli stessi composti di cui è fatta una pianta o un essere vivente in generale) possono essere degradati facilmente e in tempi rapidi. Il termine biodegradabile si riferisce alla proprietà di quelle sostanze che una volta rilasciate nell’ambiente vengono degradate, ovvero scomposte e assimilate a seguito dell’attività biologica dei batteri saprofiti, naturalmente presenti in un determinato ecosistema naturale, che si nutrono delle sostanze organiche tratte dai residui di altri organismi.  Quindi, affinché un composto possa essere considerato biodegradabile è necessario che sia realizzato utilizzando sostanze di origine naturale (principalmente vegetale) al fine di poter essere facilmente degradato. favorendo quindi la degradazione batterica. Le principali famiglie di biopolimeri presenti oggi sul mercato derivano tutte da fonti rinnovabili e comprendono i polimeri derivati

dall’amido, il poliestere derivato dall’acido polilattico (PLA) e quello derivato dai Poliidrossialcanoati (PHA) e i polimeri cellulosici. I biopolimeri inoltre si prestano a rivestire ruoli importanti nei più disparati settori, tant’è che la scienza è continuamente alla ricerca di nuovi campi d’applicazione. I settori interessati dai biopolimeri ad oggi sono diversi: SINTESI DI NANOMATERIALI Le nanoparticelle di metallo, ad esempio, possiedono varie proprietà innovative, tuttavia, la loro sintesi impone una grave minaccia per l'ambiente, causata da solventi e agenti riducenti tossici, utilizzati in questo processo.   Perciò i biopolimeri sono stati ampiamente utilizzati come agenti riducenti per la sintesi di varie nano particelle, sostituendo i reagenti pericolosi. APPLICAZIONI BIOMEDICHE: Negli ultimi anni, i materiali dei biopolimeri hanno suscitato grande interesse a causa delle loro applicazioni biomediche, come quelle nell'ingegneria dei tessuti, nei trasportatori farmaceutici e nei dispositivi medici.  


SALVARE L’AMBIENTE? LA RISPOSTA NEI BIOPOLIMERI Recentemente le bioplastiche stanno trovando un nuovo bacino di utilizzo, quello ambientale. Da diversi anni nell’ambito del trattamento delle acque reflue vengono utilizzati supporti in bioplastica per la rimozione dagli effluenti da depurare di sostanze pericolose per l’equilibrio degli ecosistemi naturali. A ciò si aggiunge che la produzione dei biopolimeri in loco (cioè all’interno dell’impianto di smaltimento e/o depurazione) consentirebbe un abbattimento dei costi di trasporto e di produzione di anidride carbonica. In tal senso si stanno muovendo molti gruppi di ricerca nel mondo che stanno focalizzando i loro studi sulla produzione di specifici biopolimeri da particolari rifiuti particolarmente dannosi per l’ambiente. Un esempio è la potenziale produzione di PHA, un materiale termoplastico biodegradabile, a partire dagli effluenti di scarto che si formano durante la produzione dell’olio di palma. Nuove applicazioni sono in corso di realizzazione anche nel settore del risanamento ambientale della fascia costiera, dove alcune bioplastiche possono essere utilizzate come supporto per favorire l’attecchimento di fanerogame marine.

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INDUSTRIA ALIMENTARE Nell'ambito delle applicazioni alimentari, questi materiali biobased sono particolarmente utili in tre aree principali: imballaggio alimentare, rivestimento alimentare e film commestibili per alimenti e incapsulamento. PURIFICAZIONE DELL’ACQUA Un biopolimero relativamente nuovo, il chitosano, è versatile nelle applicazioni del settore del trattamento delle a c q u e . Q u e s t o è u s a t o c o m e flocculante nelle acque, permette ovvero di rimuovere metalli dannosi dall’acqua rendendola potabile, dimostrandosi però meno dannoso per l’ambiente rispetto ai flocculanti sintetici.

Altri campi in cui i biopolimeri stanno prendendo il largo sono: IMBALLAGGIO
 ORTICULTURA
 RACCOLTA DIFFERENZIATA
 TESSITURA
 COLLANTI PER COMPOSITI


PAROLA AL PROFESSORE ! Di seguito un’intervista realizzata al Professor Peter Vogt, direttore del Dipartimento di Chirurgia Plastica dell’Università di Hannover, e Presidente della società tedesca di chirurghi plastici, ricostruttivi ed estetici, a proposito degli utilizzi della tela di ragno come tessuto artificiale. Ma la disponibilità di tali tessuti, oltre ad essere limitata, è inevitabilmente associata ad una perdita di sensazione della sezione donatrice.(provenienti dallo stesso individuo). Ma la disponibilità di tali tessuti, oltre ad essere limitata, è inevitabilmente associata ad una perdita di sensazione della sezione donatrice. Su quali aspetti della ricostruzione nervosa si erano rivolti gli studi effettuati ad oggi?

Professor Vogt, quando avete scoperto le proprietà della seta del Golden Orb spider, e a quali risultati siete giunti ad oggi? Nel dipartimento di chirurgia plastica, ricostruttiva e della mano dell’Università di Hannover, conduciamo test clinici sull’utilizzo della seta del Golden Orb Spider sin dal 2006. Due anni dopo l’inizio della nostra ricerca, abbiamo pubblicato uno studio nel quale descriviamo l’utilizzo della fibra della seta di questo ragno, per sostituire una sezione danneggiata del nervo sciatico in un topo da laboratorio. A 6 mesi dal trapianto, si è verificata una rigenerazione completa e funzionante di una parte cospicua del nervo, in contrasto con diversi studi pubblicati sull’argomento in precedenza. Abbiamo concluso che la seta di questo ragno è utilizzabile per la migrazione e proliferazione delle cellule di Schwann, e per la crescita assonale di cellule, in un modello di rigenerazione nervosa periferica di distanza importante. Per quali ragioni i vostri test iniziali sono stati effettuati sulle terminazioni nervose periferiche? Le lesioni traumatiche ai nervi periferici sono molto più comuni dei danni alla spina dorsale. In Europa, ogni anno, si verificano circa 300.000 casi l’anno di lesioni al sistema nervoso periferico. Le conseguenze sono disabilità e consistenti costi socio-economici. Le riparazioni assonali dirette sono circoscritte a gap contenuti, e spesso accompagnate da fenomeni di cicatrizzazione e nevralgie. Le parti mancanti di tessuto nervoso devono essere ricostruite con strutture che creino un ambiente favorevole alla crescita assonale di cellule. Come dicevamo, attualmente la sostituzione di parti mancanti utilizza trapianti autologhi (provenienti dallo stesso individuo).

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La ricerca aveva sperimentato opzioni terapeutiche derivanti da materiale naturale o sintetico per guidare la ricrescita nervosa, ma i polimeri non riassorbibili a base di silicone e tetrafluoroetilene utilizzati, spesso provocano fibrosi (reazioni cicatriziali). Inoltre potrebbe verificarsi una perdita’ di funzionalità, causata da una eccessiva mielinizzazione . I materiali naturali (immunologicamente compatibili) sono favoriti in virtù della loro più elevata biocompatibilità e ridotta citossicità. In studi precedenti, si sono verificate difficoltà anche con materiale di origine naturale. In un esperimento in cui è stata utilizzata la seta di baco per ricostituire una fibra nervosa di coniglio, si è osservata una reazione fibroblastica.

Quali sono i materiali e la metodologia utilizzata e a quali conclusioni siete giunti? Abbiamo costruito innesti di tessuto nervoso utilizzando vene isogeniche (geneticamente compatibili) contenenti fibre di seta di ragno. Questi innesti di tessuto nervoso sono stati utilizzati per ricoprire un gap di 20 mm nel nervo sciatico del topo. La rigenerazione nel nervo è stata verificata dal comportamento post-operatorio della cavia e dallo studio della conduzione del nervo. A livello istologico abbiamo osservato come i tessuti innestati presentavano una neovascolarizzazione, senza segni di risposta infiammatoria o da reazione a corpo estraneo. Una sezione longitudinale del tessuto ha mostrato una buona rigenerazione del nervo sciatico, che presentava una forma ondulata tipica dei nervi in condizioni ottimali. Tramite la nostra ricerca, siamo stati in grado di dimostrare che le fibre di seta di ragno favoriscono l’adesione e la proliferazione di cellule. Nel nostro studio non abbiamo rilevato alcuna reazione immunologica verso i ponti di tessuto trapiantati. Inoltre la seta di ragno è proteoliticamente degradabile, in contrasto con i polimeri bioriassorbibili, i quali degradano solo se muta il pH fisiologico. Anche per questo motivo quindi, consideriamo la seta di ragno ideale per la rigenerazione di tessuti nervosi, non favorita da un ambiente acido. In conclusione, una volta completata la rigenerazione dei tessuti, abbiamo costatato la degradazione completa della seta utilizzata, dopo un periodo di 6 mesi, senza segni apparenti di prodotti citotossici.


UN BILANCIO CONCLUSIVO ! Come detto dal responsabile del progetto, il Professor Peter Vogt, i risultati dell’utile della tela di ragno come pelle umana sono stati eccezionali. Tuttavia, non mancano delle criticità nell’utilizzo di questo particolare VANTAGGI

SVANTAGGI

PROBLEMI RISOLTI

SI PERCHE’… 0

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Presenta eccellenti caratteristiche meccaniche E’ stabile in un ampio intervallo di temperature fino a 250 ° C E’ flessibile Insolubile in molti solventi organici ed acquosi nonché in acidi e basi deboli NO PERCHE’…

Funzione battericida Favorisce l'attaccamento e la crescita delle cellule fino al collagene

Lentamente biodegradabile Causa una piccola risposta immunogenica

Non muta il pH fisiologico

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QUANDO LA NATURA INCONTRA LA MEDICINA La tela del ragno è solo uno dei tantissimi casi in cui i prodotti della natura vengono usati per scopi medici. Ecco di seguito altri esempi.

Una super-colla ispirata alla bava di lumaca per le suture chirurgiche Dalle enormi potenzialità in ambito chirurgico, sembra avere proprietà superiori rispetto ad altre colle chirurgiche  usate fino a oggi: flessibile e dalla forte adesione, è adatta anche per tessuti umidi e in movimento (come il cuore). La  supercolla  è stata sviluppata dai ricercatori dellaHarvard University  e si è guadagnata le  pagine  di  Science. Non è la prima volta che la natura ispira la ricerca ed è proprio da lì che è partito il team di studiosi per plasmare un super cerotto biocompatibile, in grado di superare la bassa efficienza dei dispositivi adesivi già esistenti. L’idea stavolta è arrivata dall’Arion subfuscus – una specie di  lumaca  molto comune in Gran Bretagna e nell’Europa occidentale – che come meccanismo di difesa, secerne una sostanza estremamente appiccicosa capace di creare forti legami con le superfici bagnate ma allo stesso tempo di rimanere molto flessibile. La  colla-cerottorealizzata in laboratorio, ispirandosi a quella prodotta dalla lumaca, è un idrogel contenente uno strato di polimeri estremamente adesivi. Il materiale è molto flessibile, non è tossico per l’essere umano, non danneggia i tessuti e aderisce saldamente in pochi minuti a pelle, cartilagine e organi, anche se bagnati e dinamici, come nel caso del cuore. I ricercatori sperano quindi di poterla utilizzare un giorno, a sostituzione di  suture  e  graffette, talvolta impossibili da posizionare o lesive per i tessuti circostanti. Da prove di laboratorio condotte sugli animali infatti, la colla si è mostrata efficace nel chiudere una ferita sul cuore di un maiale, mostrando di essere perfettamente stabile e flessibile anche durante il  battito cardiaco  e sul fegato di un ratto si è dimostrata molto efficace nel bloccare un’emorragia.

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Una foglia di spinaci trasformata in tessuto cardiaco 


Una foglia di spinaci  trasformata in  tessuto cardiaco  funzionante artificiale, o meglio ‘vegetale’: questa l'eccezionale ricerca, firmata dagli scienziati del Worcester Polytechnic Institute. Trasformare la pianta, con le sue delicate venature, in tessuto umano potrebbe infatti consentire di vascolarizzare il nuovo tessuto e utilizzarlo per 'riparare' il cuore. I ricercatori spiegano di essere sulla strada buona per ricreare la sottile rete di vasi che porta il sangue al cuore.In passato altri studiosi erano riusciti a ricreare 'minicuori' artificiali su piccola scala, ma non erano riusciti a farlo su una scala più vasta. Ora il team di Worcester suggerisce che questa tecnica potrebbe essere usata per coltivare strati di muscolo cardiaco sano, per trattare i pazienti che hanno subito un infarto. Gli scienziati spiegano: "Lo sviluppo di piante decellularizzate per fungere da 'impalcature' apre a un nuovo settore della scienza che investiga sulla mimica tra piante e animali". Per creare il piccolo cuore artificiale, gli studiosi hanno spogliato le foglie di spinaci delle cellule della pianta, inviando fluidi e microsfere simili alle cellule del sangue umano attraverso le venature della foglia; poi hanno 'seminato' le cellule umane utilizzate per 'foderare' i vasi sanguigni all'interno.

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La buccia della mela è la nuova protagonista dell’ingegneria tissutale I ricercatori dell'istituto di scienze dei materiali di Madrid hanno utilizzato gli scarti della lavorazione industriale del succo di mela e del sidro sia per l'estrazione di sostanze nutraceutiche e pectine sia come materia prima rinnovabile per ottenere materiali che possano essere utilizzati come impalcature biocompatibili per la ricostruzione di tessuti ossei e cartilaginei (utilizzati nell'ingegneria tissutale). Se si pensa che la pectina può essere venduta fino a 1 euro al grammo, l'acido clorogenico a ca. 120 euro al grammo, l'acido caffeico a 3-5 euro al grammo e che in particolare le impalcature (scaffold), che sono solitamente realizzate utilizzando materie prime non rinnovabili con elevati costi di fabbricazione, sono vendute a prezzi superiori a 100 euro al grammo, mentre gli scarti della lavorazione del succo di mela costano meno di 100 euro per tonnellata; si può intuire facilmente che ci sono chiari incentivi ambientali ed economici nel trasformare questo materiale di scarto in sostanze e materiali di pregio. I ricercatori spiegano:

"La procedura utilizzata nel nostro studio consiste in estrazioni sequenziali di antiossidanti e pectina e infine nella preparazione di un materiale biocompatibile, privilegiando quest'ultimo vista la sua importanza come impalcatura rinnovabile per l'ingegneria tissutale. Questa è la prima volta in cui si utilizzano gli scarti della lavorazione delle mele per applicazioni di ingegneria dei tessuti duri e molli".

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