1: Overview dei biomateriali

La biologia viene ora utilizzata per affrontare le sfide dell'ingegneria, poiché i materiali di derivazione biologica offrono proprietà chiave che i materiali artificiali non possono. I materiali bioderivati, a volte chiamati biomateriali, sono creati da organismi viventi o un tempo viventi. Questi materiali hanno guadagnato popolarità di recente in quanto sono biocompatibili e possono fungere da matrici in grado di ospitare biomolecole e cellule. Questo video introdurrà diversi materiali bioderivati e introdurrà tecniche e sfide comuni sul campo.

Esistono molti polimeri di derivazione biologica, o biopolimeri, utilizzati nella ricerca bioingegneristica. Innanzitutto, il collagene è un polimero proteico ampiamente utilizzato tipicamente derivato dalla pelle, dai tendini e dalle ossa bovini e persino dalle code di ratto. Le fibre di collagene possiedono una struttura a tripla elica che conferisce al materiale resistenza e rigidità. A causa di questa proprietà, il collagene viene spesso utilizzato come componente strutturale di costrutti di tessuti ingegnerizzati, specialmente nelle ossa e nella pelle come i tessuti artificiali. Un altro polimero proteico comune è la seta, che deriva dal bozzolo delle larve di falena della seta. La struttura secondaria di questa proteina ha vaste regioni cristalline di fogli beta che consentono un'elevata resistenza e flessibilità. Come per il collagene, la seta è spesso utilizzata come componente strutturale del tessuto artificiale, tipicamente in tessuti flessibili come pelle e muscoli. Tuttavia, la seta viene anche colata come film sottile per dispositivi ottici e substrati di dispositivi elettrici. Il chitosano, un altro biopolimero, è il polisaccaride derivato dai gusci dei crostacei come granchi o aragoste. La solubilità del polimero è basata sul pH. Ciò consente un semplice controllo dei processi di fabbricazione aumentando il pH per solidificare il materiale. Il chitosano viene spesso utilizzato nella guarigione delle ferite creando un film biocompatibile con la rigenerazione dei tessuti.

Ora diamo un'occhiata ad alcuni metodi importanti utilizzati per manipolare questi biomateriali. In primo luogo, i biomateriali vengono spesso fusi come idrogel per creare una struttura altamente idrofila con una maggiore biocompatibilità. Un idrogel è una rete polimerica simile a un solido con un alto contenuto di acqua ed è spesso utilizzato come costrutto tissutale nei tessuti artificiali. Per fare un idrogel con collagene, prima riscalda il polimero in una soluzione acquosa, come un mezzo di crescita, e poi getta la soluzione in uno stampo. La soluzione viene quindi raffreddata fino a quando non si solidifica. La reticolazione UV può essere utilizzata anche per migliorare la stabilità del gel legando covalentemente i residui sulle catene polimeriche. In alternativa, le perle di idrogel possono essere formate aggiungendo la soluzione polimerica goccia a goccia a una soluzione reticolante. Le perle vengono quindi utilizzate per stabilizzare le cellule in proteine. I biomateriali possono essere utilizzati anche per formare stuoie fibrose tramite elettrofilatura. Questa tecnica viene eseguita applicando un campo elettrico tra la superficie di un collettore e la punta di una siringa contenente una soluzione di biopolimero. Questo induce la formazione di fibre su microscala che poi creano strutture che imitano la matrice extracellulare nei tessuti. In alternativa, i film sottili di biomateriali possono essere preparati mediante elettrodeposizione. A tal fine, viene applicato un potenziale a una cella a due elettrodi contenente la soluzione di biomateriale. Il biomateriale migra verso uno degli elettrodi formando un film sottile sulla superficie. Questi film sottili possono essere utilizzati per rendere biocompatibile una superficie, ad esempio per stabilizzare gli enzimi assemblati in superficie nelle cellule. In questo caso, un film sottile di chitosano stabilizza l'enzima glucosio ossidasi. Inoltre, i biomateriali sono spesso colati in soluzione su una superficie per formare un film sottile. La soluzione viene prima lasciata cadere su un substrato e poi asciugata per rimuovere tutto il solvente. Lo spessore del film è controllato utilizzando il volume e la concentrazione della soluzione.

Sebbene i biomateriali siano ampiamente utilizzati nella bioingegneria, ci sono sfide intrinseche associate al loro utilizzo. In primo luogo, i biomateriali possiedono proprietà naturali che sono governate dalla loro fonte e struttura molecolare. Sebbene questi materiali possano essere sfruttati per un'ampia gamma di applicazioni, modificare le loro proprietà intrinseche può essere difficile. Inoltre, la lavorazione del materiale ne altera le proprietà, a volte in modo negativo. I biomateriali derivano da fonti naturali che possono variare in base alle specie dell'organismo e a fattori ambientali come la stagione. Ciò può comportare una variabilità da lotto a lotto che causa piccole differenze nell'applicazione finale. Infine, la maggior parte dei biomateriali sono solubili in acqua, limitandone così la stabilità. Poiché alcune applicazioni richiedono che il materiale sia permanente, potrebbero essere necessarie tecniche di reticolazione o stabilizzazione per prolungarne la durata. Tuttavia, ciò può comportare modifiche indesiderate alle proprietà meccaniche.

I materiali di derivazione biologica sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni nella ricerca bioingegneristica. In primo luogo, i biomateriali sono spesso utilizzati nelle applicazioni di somministrazione di farmaci poiché sono tipicamente biodegradabili e biocompatibili. Ad esempio, gli idrogel offrono una matrice biocompatibile in grado di trattenere molecole di farmaci sensibili. Si degradano a una velocità prevedibile a seconda delle proprietà del materiale, consentendo così il rilascio controllato di un farmaco. I biomateriali sono stati ampiamente utilizzati in medicina, in particolare con suture di seta e con bende e adesivi a base di chitosano per la guarigione delle ferite. In questo esempio, le pellicole adesive chirurgiche al chitosano sono state preparate con un colorante diagnostico medico. Successivamente sono stati fusi attraverso il tessuto tagliato per chiudere la ferita in alternativa alle suture. Un'area in evoluzione del campo dei biomateriali tratta le proteine e altre biomolecole, come il DNA in questo caso, come materiali polimerici. Per questo, i filamenti di DNA sono progettati con una sequenza specifica che induce il ripiegamento preciso del filamento di DNA in strutture e modelli complessi chiamati origami di DNA. Queste strutture possono quindi essere utilizzate per creare assemblaggi funzionali in grado di percepire segnali biologici, cambiare forma o rilasciare biomolecole incorporate.

Hai appena visto la panoramica di JoVE sui materiali di derivazione biologica. A questo punto è necessario comprendere le origini e le proprietà di diversi biomateriali comuni, alcune tecniche utilizzate in laboratorio per elaborarli e alcune sfide associate al loro utilizzo. Grazie per l'attenzione.