Gli idrogel sono già utilizzati nella pratica clinica per la somministrazione terapeutica di farmaci per combattere i patogeni; come lenti intraoculari e a contatto, e protesi corneali in oftalmologia; cemento osseo, medicazioni per ferite, bende coagulanti per il sangue e impalcature 3D nell’ingegneria e rigenerazione dei tessuti.
Tuttavia, l’attaccamento rapido e forte dei polimeri idrogel tra loro è rimasto un bisogno insoddisfatto non risolto, poiché i metodi tradizionali spesso risultano in un’adesione più debole dopo tempi di adesione più lunghi del desiderato e si basano su procedure complesse. Raggiungere un’adesione rapida dei polimeri potrebbe consentire numerose nuove applicazioni, inclusi, ad esempio, idrogel la cui rigidità potrebbe essere finemente regolata per adattarsi meglio a tessuti specifici, l’incapsulamento su richiesta di elettronica flessibile per la diagnostica medica o la creazione di involucri tissutali autoadesivi per parti del corpo difficili da bendare.
Ora, gli scienziati del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering presso l’Università di Harvard e la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno creato un metodo semplice e versatile per legare istantaneamente ed efficacemente strati composti dagli stessi o da diversi tipi di idrogel e altri materiali polimerici, utilizzando un sottile film di chitosano: un materiale fibroso a base di zucchero derivato dagli scheletri esterni lavorati dei crostacei. Hanno applicato con successo il loro nuovo approccio a diversi problemi medici irrisolti, tra cui il raffreddamento protettivo locale dei tessuti, la sigillatura delle lesioni vascolari e la prevenzione delle indesiderate “adesioni chirurgiche” delle superfici interne del corpo che non dovrebbero attaccarsi l’una all’altra. I risultati sono stati pubblicati negli Atti della National Academy of Science.
“I film di chitosano con le loro capacità di assemblare, sintonizzare e proteggere gli idrogel nel corpo e oltre, aprono numerose nuove opportunità per creare dispositivi per la medicina rigenerativa e la cura chirurgica,” ha detto l’autore principale e membro fondatore del Wyss Institute Core Faculty David Mooney, Ph.D. “La velocità, la facilità e l’efficacia con cui possono essere applicati li rendono strumenti e componenti altamente versatili per i processi di assemblaggio in vivo in spesso brevi finestre temporali durante le operazioni chirurgiche e la semplice fabbricazione di strutture biomateriali complesse negli stabilimenti di produzione.” Mooney è anche il Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering presso SEAS.
Negli ultimi anni, il team di Mooney al Wyss Institute e SEAS ha sviluppato “Tough Adhesives”, una collezione di approcci alla medicina rigenerativa che utilizzano idrogel estensibili per facilitare la guarigione delle ferite e la rigenerazione dei tessuti aderendo fortemente alle superfici dei tessuti umidi e conformandosi alle proprietà meccaniche dei tessuti. “Gli adesivi Tough formulati con precisione e gli idrogel non adesivi ci danno e ad altri ricercatori nuove opportunità per migliorare la cura dei pazienti. Ma per portare le loro funzionalità uno o più passi avanti, volevamo essere in grado di combinare due o più idrogel in assemblaggi più complessi, e farlo velocemente, in sicurezza e in un processo semplice,” ha detto il co-primo autore e ex ricercatore associato del Wyss Benjamin Freedman, Ph.D., che ha guidato diversi sviluppi di Tough Adhesive con Mooney. “I metodi esistenti per legare istantaneamente idrogel o elastomeri avevano svantaggi evidenti perché si basavano su colle tossiche, la funzionalizzazione chimica delle loro superfici o altre procedure complesse.”
Attraverso un approccio di screening dei biomateriali, il team ha identificato film di ponte completamente composti da chitosano. Il chitosano è un polimero zuccherino che può essere facilmente ottenuto dalle conchiglie di chitina dei crostacei e ha già trovato la sua strada in applicazioni commerciali di vasta portata. Ad esempio, è attualmente utilizzato per trattare i semi e come biopesticida in agricoltura, per prevenire il deterioramento nella vinificazione, in rivestimenti di vernici auto-riparanti e nella gestione delle ferite mediche.
Il team ha scoperto che i film di chitosano raggiungevano un legame rapido e forte degli idrogel attraverso interazioni chimiche e fisiche diverse da quelle coinvolte nei metodi tradizionali di legame degli idrogel. Invece di creare nuovi legami chimici basati sulla condivisione di elettroni tra singoli atomi (legami covalenti), indotti da un piccolo spostamento del pH, le catene di zucchero del chitosano assorbono rapidamente l’acqua presente tra gli strati di idrogel e si intrecciano con le catene di polimeri degli idrogel, formando molteplici legami tramite interazioni elettrostatiche e legami ad idrogeno (legami non covalenti). Questo si traduce in forze adesive tra idrogel che superano significativamente quelle create attraverso approcci tradizionali di legame degli idrogel.
Per dimostrare l’ampiezza del potenziale del loro nuovo metodo, i ricercatori si sono concentrati su sfide mediche molto diverse. Hanno mostrato che gli adesivi Tough modificati con film di chitosano potevano ora essere facilmente avvolti attorno a forme cilindriche come un dito ferito come bende autoadesive per fornire una cura delle ferite migliorata. Grazie all’alto contenuto di acqua degli idrogel legati al chitosano, la loro applicazione ha permesso anche il raffreddamento locale della pelle umana sottostante, che in futuro potrebbe portare a trattamenti alternativi per le ustioni.
I ricercatori hanno anche avvolto idrogel (gel resistenti) le cui superfici erano modificate con sottili film di chitosano senza problemi attorno a tessuti intestinali, tendinei e nervi periferici senza legarsi ai tessuti stessi. “Questo approccio offre la possibilità di isolare efficacemente i tessuti l’uno dall’altro durante le operazioni chirurgiche, che altrimenti possono formare ‘adesioni fibrotiche’ con conseguenze a volte devastanti. La loro prevenzione è un bisogno clinico insoddisfatto che le tecnologie commerciali non possono ancora affrontare adeguatamente,” ha spiegato Freedman.
In un’altra applicazione, hanno posizionato un sottile film di chitosano su un gel resistente che era già stato posizionato su un’aorta di maiale ferita ex vivo come sigillante per ferite per aumentare la forza complessiva della benda, che era esposta alle forze meccaniche cicliche del sangue che pulsava attraverso il vaso.
“Le numerose possibilità che emergono da questo studio del gruppo di Dave Mooney aggiungono una nuova dimensione all’ingegneria dei dispositivi idrogel biomedici, che potrebbero portare a soluzioni eleganti per problemi urgenti insoddisfatti nella medicina rigenerativa e chirurgica di cui molti pazienti potrebbero beneficiare,” ha detto il direttore fondatore del Wyss Donald Ingber, M.D., Ph.D., che è anche il Judah Folkman Professor of Vascular Biology alla Harvard Medical School e al Boston Children’s Hospital, e il Hansjörg Wyss Professor of Bioinspired Engineering presso SEAS.