Aaron Rodgers quarterback della squadra professionistica di football americano dei Green Bay Packers nel 2017 si è rotto la clavicola destra in una partita contro i Minnesota Vikings. La clavicola in genere impiega circa 12 settimane per guarire completamente, ma a metà dicembre i fan e i commentatori speravano che il tre volte “Giocatore di maggior valore” nel torneo potesse riprendersi presto e salvare la stagione.
Xudong Wang professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l’Università del Wisconsin-Madison, esperto nella creazione di dispositivi medici sottili e alimentati dal movimento, ha detto:
«Ho iniziato a chiedermi se potevamo fornire una nuova soluzione per riportare rapidamente gli atleti in campo».
I ricercatori sanno che l’elettricità può aiutare ad accelerare la guarigione delle fratture ossee, ma le fratture non hanno mai preso piede, poiché richiede l’impianto chirurgico e la rimozione di elettrodi alimentati da una fonte esterna.
L’importante aggiornamento dello stesso concetto di elettrostimolazione è l’ultima invenzione di Xudong Wang non è arrivata in tempo per aiutare i Green Bay Packers del 2017, tuttavia, potrebbe aiutare molti altri rendendo l’elettrostimolazione un’opzione molto più conveniente per accelerare la guarigione delle ossa.
Il suo dispositivo sottile e flessibile è autoalimentato, impiantabile e bioriassorbibile, quindi una volta che l’osso è saldato, i componenti del dispositivo si dissolvono naturalmente all’interno del corpo.
Xudong Wang e i suoi collaboratori, tra cui Weibo Cai, professore di radiologia e fisica medica alla UW-Madison, hanno descritto il nuovo dispositivo nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.
L’osso è un materiale piezoelettrico, ciò significa che quando è messo sotto sforzo produce una piccola quantità di elettricità, queste scariche elettriche stimolano fattori che promuovono la crescita ossea e la guarigione, motivo per cui l’elettrostimolazione è una terapia efficace.
I ricercatori hanno detto che mentre esistono stimolatori esterni che creano un campo elettrico per accelerare la guarigione, la soluzione ideale è stimolare direttamente l’osso, ma mettere il dispositivo all’interno del corpo, tuttavia, ha requisiti unici, non ultimo quello di alimentarlo.
Xudong Wang ha detto: «Il nostro dispositivo è ideale perché si autoalimenta, elemento che prima non esisteva».
Xudong Wang e il suo team per creare il nuovo dispositivo di elettrostimolazione della frattura hanno iniziato con un nanogeneratore triboelettrico, un dispositivo a pellicola sottile con superfici microstrutturate che converte l’energia meccanica prodotta da piccoli movimenti in energia elettrica. Hanno accoppiato il nanogeneratore con una coppia di elettrodi per distribuire il campo elettrico all’osso. Hanno costruito questi componenti ultrasottili, biodegradabili e bioriassorbibili su un substrato di acido poli(lattico-co-glicolico), un polimero biocompatibile comunemente utilizzato, approvato dalla Food and Drug Administration (FDA), l’ente governativo statunitense che si occupa della regolamentazione dei prodotti alimentari e farmaceutici.
I test iniziali dei ricercatori hanno confermato che piccoli movimenti del dispositivo hanno effettivamente creato una stimolazione elettrica di circa 4 volt, sostenuta per oltre sei settimane. Hanno quindi testato il dispositivo sui topi.
I topi a cui è stato impiantato il dispositivo in circa sei settimane si sono completamente ripresi da una frattura della tibia, molto più rapidamente degli animali in un gruppo di controllo; anche la densità minerale e la resistenza alla flessione delle ossa guarite, hanno raggiunto lo stesso livello delle ossa sane nei topi che hanno ricevuto l’elettrostimolazione. I dispositivi dopo il trattamento, si sono degradati e assorbiti nei corpi dei ratti senza complicazioni e senza bisogno di rimozione chirurgica.
Xudong Wang afferma che è possibile mettere a punto per quanto tempo lo stimolatore durerà all’interno del corpo, da settimane a mesi, modificando le proprietà del materiale bioriassorbibile che ricopre il dispositivo.
Xudong Wang vorrebbe ampliare il dispositivo di elettrostimolazione della frattura in modo che funzioni negli esseri umani, ma per questi dispositivi autoalimentati, la fonte di energia può essere un fattore. Ha detto:
«In genere, quando qualcuno ha un osso rotto, deve limitare i propri movimenti, in altre parole la persona che indossa un gesso potrebbe non produrre abbastanza energia meccanica per alimentare il nanogeneratore triboelettrico. Il modo in cui un topo si muove fornisce una stimolazione costante per il dispositivo, ma per un osso rotto in un essere umano che non può essere spostato, questo è un problema».
Il corpo umano tuttavia fornisce fonti di movimento virtualmente infinite, potrebbero alimentare il dispositivo di elettrostimolazione della frattura quando l’osso rotto deve rimanere immobile.
Xudong Wang ha aggiunto:
«Potremmo aver bisogno del dispositivo per rispondere ad altri tipi di fonti meccaniche interne, come i cambiamenti della pressione sanguigna. Sarà molto interessante e di grande impatto affrontare lo sviluppo dall’animale all’uomo».
Weibo Cai è entusiasta di continuare il lavoro. Ha detto:
«Le nostre continue collaborazioni nell’ultimo decennio sono state molto produttive e sinergiche, ho lavorato con Xudong Wang per creare una benda che funziona secondo principi simili, tra gli altri progetti c’è anche un dispositivo impiantabile per la perdita di peso. Il team di Xudong Wang progetta e fabbrica molti interessanti dispositivi, il nostro gruppo può testarli in vivo in vari modelli di piccoli animali per successivi studi su animali di grandi dimensioni e potenziale utilizzo clinico».
