Dopo aver parlato del pacemaker che una volta conclusa la sua funzione si dissolve, la biotecnologia medica torna a sorprenderci con un dispositivo osseo, anch’esso capace di autodissorlversi una volta curata la lesione. L’intuizione è venuta a Xudong Wang, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l’Università del Wisconsin-Madison.
Lo studio sul dispositivo osseo è stato pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences .
Dispositivo osseo: un rimedio che apre le nuove frontiere dell’ortopedia
I continui infortuni degli atleti di diverse parti del mondo hanno portato Xudong Wang a chiedersi se fosse possibile fornire una nuova soluzione per fare recuperare gli sportivi più infretta possibile. Gli studiosi coinvolti nella ricerca sono partiti dal presupposto che l’elettricità può aiutare ad accelerare la guarigione delle ossa, tranne le fratture “zapping” che invece necessitano di un impianto chirurgico e la rimozione di elettrodi alimentati da una fonte esterna.
Dall’intuizione gli scienziati sono però passati alla creazione di un dispositivo osseo sottile e flessibile è autoalimentato, impiantabile e bioriassorbibile, quindi una volta che l’osso viene rinsaldato, i componenti del dispositivo si dissolvono all’interno del corpo.
L’osso è un materiale piezoelettrico, il che significa che produce una piccola quantità di elettricità quando viene messo sotto sforzo. Queste scariche elettriche stimolano fattori che promuovono la crescita e la guarigione delle ossa, motivo per cui l’elettrostimolazione è una terapia efficace.
Mentre esistono stimolatori esterni che creano un campo elettrico per accelerare la guarigione indirettamente, la soluzione ideale è stimolare direttamente l’osso. Mettere il dispositivo all’interno del corpo, tuttavia, ha requisiti unici, non ultimo dei quali è alimentarlo, secondo Wang: “Il caso ideale è che il dispositivo si autogenera, cosa che prima non esisteva“, ha spiegato lo scienziato.
Per creare il nuovo dispositivo osseo con il supplemento dell’ elettrostimolazione della frattura, o FED, Wang e il suo gruppo di esperti hanno iniziato con un nanogeneratore triboelettrico, un dispositivo a film sottile con superfici microstrutturate che converte l’energia meccanica prodotta da piccoli movimenti in energia elettrica. Gli esperti hanno accoppiato il nanogeneratore con una coppia di elettrodi per distribuire il campo elettrico all’osso. Gli sviluppatori hanno così costruito questi componenti ultrasottili, biodegradabili e bioriassorbibili su un substrato di acido poli(lattico-co-glicolico), un polimero biocompatibile approvato dalla FDA comunemente usato.
I test iniziali dei ricercatori hanno confermato che piccoli movimenti del dispositivo hanno effettivamente creato una stimolazione elettrica di circa 4 volt, che potrebbe sostenere per oltre sei settimane. Hanno quindi testato il dispositivo sui topi.
Gli animali a cui è stato impiantato il dispositivo si sono completamente ripresi da una frattura della tibia in circa sei settimane, 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 negli animali che hanno ricevuto l’elettrostimolazione. Dopo il trattamento, i dispositivi si sono degradati e assorbiti nei corpi dei ratti senza complicazioni e senza bisogno di rimozione chirurgica.
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 riveste il dispositivo osseo. Alla fine, lo scienziato 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:”In genere, quando qualcuno ha un osso fratturato, deve limitare i propri movimenti”, ha specificato lo studioso.
In altre parole, qualcuno che indossa un calco 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”, ha chiarito Wang.
Tuttavia, il corpo umano fornisce fonti di movimento virtualmente infinite che potrebbero alimentare il dispositivo di elettrostimolazione della frattura se l’osso fratturato deve rimanere immobile. “Potremmo aver bisogno del dispositivo per rispondere ad altri tipi di fonti meccaniche interne, come i cambiamenti della pressione sanguigna“, ha continuato lo scienziato, che sta già guardando al futuro della FED.
“Sarà molto interessante e di grande impatto affrontare lo sviluppo dall’animale all’uomo”, conclude: “Le nostre continue collaborazioni nell’ultimo decennio sono state molto produttive e altamente sinergiche“, afferma Cai, che ha lavorato con Wang per creare una benda che funziona secondo principi simili e un dispositivo impiantabile per la perdita di peso , tra gli altri progetti. “Il gruppo Wang progetta e fabbrica molti dispositivi interessanti e il nostro gruppo può testarli in vivo in vari modelli di piccoli animali per successivi studi su animali di grandi dimensioni e potenziale traduzione clinica”.
