La riparazione o la sostituzione di tendini lesionati o tessuti portanti simili rappresenta una delle maggiori sfide della medicina clinica. I tendini naturali sono tessuti ricchi di acqua che presentano un’eccezionale resistenza meccanica e durata. Le loro proprietà meccaniche derivano da sofisticate strutture in microscala che coinvolgono rigide fibrille di collagene allineate in parallelo e intrecciate con morbidi biopolimeri che trattengono l’acqua.
I ricercatori negli ultimi decenni, per replicare le strutture e le proprietà dei tendini naturali, hanno cercato di utilizzare idrogel sintetici, una classe di materiali ricchi di acqua che coinvolgono reti polimeriche. Rimane difficile poiché gli idrogel sintetici sono generalmente deboli e fragili. Risolvere questa discrepanza consentirebbe applicazioni critiche nella riparazione dei tessuti, nei robot biomedici, nei dispositivi impiantabili e in molte altre tecnologie.
Il team di ricerca guidato da Lizhi Xu del Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Hong Kong (HKU) ha sviluppato un nuovo tipo di idrogel tendine-mimetico con eccezionali proprietà meccaniche che corrispondono a quelle dei tendini naturali combinati con multifunzionalità per applicazioni biomediche.
La ricerca è stata pubblicata nella rivista Science Advances, in un articolo intitolato “Idrogel tendine-mimetici multifunzionali”. La ricerca è stata anche descritta in Nature con il titolo “Il Kevlar aiuta a creare un robusto tendine sintetico”.
I ricercatori per la costruzione di idrogel tendine-mimetici, hanno detto che le nanofibre aramidiche derivate dal Kevlar, un materiale polimerico utilizzato in giubbotti antiproiettile e caschi, sono state mescolate con alcol polivinilico, un altro polimero sintetico. Le nanofibre di aramide con la sollecitazione di trazione applicata durante il processo di fabbricazione, si sono allineate tra loro in base alla direzione dello stiramento, portando a una rete anisotropica che imita le caratteristiche strutturali dei tendini naturali.
Le interazioni tra le nanofibre rigide e i polimeri morbidi conferiscono inoltre un’elevata tenacità meccanica ai compositi, questo idrogel è costituito per il 60% da acqua mentre mostra un eccellente modulo di Young di ~ 1 GPa e una forza di ~ 80 MPa, superando di ordini di grandezza altri idrogel sintetici. La superficie degli idrogel può essere ulteriormente funzionalizzata per dirigere i comportamenti delle cellule o integrarsi con sensori bioelettronici morbidi.
Il modulo di Young, indicato con E, detto anche modulo di elasticità, è una grandezza i cui valori dipendono dal materiale considerato e che esprime la propensione di materiali ad allungarsi o ad accorciarsi a seguito dell’azione di una forza di carico.
Lizhi Xu ha affermato:
«Abbiamo sviluppato una piattaforma di materiali biomimetici per applicazioni biomediche avanzate. Gli elementi costitutivi dei materiali hanno catturato molte caratteristiche strutturali dei tendini naturali, portando a proprietà sorprendenti che sono inaccessibili con altri idrogel sintetici, questi idrogel non sono solo meccanicamente forte ma anche funzionalizzato con molecole bioattive e sensori elettronici morbidi, fornendo capacità critiche per la riparazione dei tessuti e dispositivi medici impiantabili».