Membrana bioassorbibile per la guarigione di ferite interne ed esterne

Fibroblasti (Cellule del tessuto connettivo) sulla membrana Renacer® elettrospinta sotto il microscopio confocale (rosso: citoscheletro delle cellule, blu: nuclei cellulari). © Fraunhofer ITEM

Membrana elettrospun Renacer® (5 x 5 cm) © Fraunhofer ITEM / Membrana elettrospun Renacer® (5 x 5 cm) © Fraunhofer ITEM

Ricercatori Fraunhofer sono riusciti a creare, a partire dal gel di silice bioresorbibile Renacer® una membrana elettrospinnata che non è né tossica per le cellule né genotossica. Questa matrice imita le strutture fibrose presenti nel tessuto connettivo. È quindi particolarmente adatta per applicazioni rigenerative, ad esempio per migliorare la cicatrizzazione delle ferite.

Il trattamento di ferite estese e interne rappresenta una sfida e può richiedere molto tempo. Ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la Ricerca sui Silicati ISC e dell'Istituto Fraunhofer per la Tossicologia e la Medicina Sperimentale ITEM hanno sviluppato per questo ambito una membrana bioresorbibile che supporta la guarigione delle ferite e si biodegrada completamente nel corpo in una sostanza naturale.

La base della nuova membrana è un tessuto di fibre sviluppato presso il Fraunhofer ISC, già approvato per la rigenerazione di ferite croniche, come il piede diabetico. Il materiale si dissolve completamente nel corso della cicatrizzazione, dopo circa sei-otto settimane. I ricercatori sono riusciti a ridurre il diametro delle fibre di oltre 50 volte, portandolo a meno di un micrometro. Per farlo, hanno utilizzato il metodo di elettrospinning. In questo modo, sono riusciti a trasformare un gel di silice in una membrana di silice a maglia stretta, composta da fibre di circa un micrometro di diametro. In alcuni casi, sono stati raggiunti diametri di appena 100 nanometri. «Questi sistemi fibrosi imitano la matrice extracellulare, cioè le strutture fibrose presenti nel tessuto connettivo, nel corpo e vengono molto bene accolti dalle cellule umane per la rigenerazione. Non causano reazioni di corpo estraneo né cicatrici interne. La nuova membrana di silice rilascia solo un prodotto di degradazione, l'acido monoesilico, che agisce rigenerando nel corpo e favorisce la chiusura delle ferite», spiega il dott. Bastian Christ, ricercatore presso il Fraunhofer ISC di Würzburg. Con i suoi colleghi si è occupato della sintesi e della lavorazione del materiale.

«Mentre il tessuto fibroso originale, costituito da fibre di 50 micrometri di spessore, viene inserito dall'esterno in una ferita cronica, il tessuto fibroso più sottile è adatto anche per applicazioni interne. Materiali riempitivi utilizzati per difetti ossei nella mascella potrebbero teoricamente essere coperti con questa membrana per accelerare la cicatrizzazione», descrive la dottoressa Christina Ziemann, ricercatrice presso il Fraunhofer ITEM e responsabile della valutazione biologica del materiale, una delle molte possibili applicazioni. «In linea di principio, la membrana può essere incollata nel corpo con adesivi biodegradabili.»

Materiale né tossico né genotossico

Utilizzando un microscopio confocale, un microscopio ottico speciale, è stato possibile dimostrare che la membrana a maglia stretta, presentata come dimostratore, possiede una funzione barriera che impedisce il passaggio di cellule del tessuto connettivo per almeno sette giorni, senza ostacolare la crescita cellulare in generale. Inoltre, la membrana è riassorbibile e non presenta tossicità citotossica o genotossica, quindi non causa danni diretti ai tessuti né al DNA.

Diametro delle fibre e maglie influenzano il comportamento delle cellule

Per l'applicazione come barriera di adesione, per evitare aderenze postoperatorie e cicatrici, è stato scelto un diametro di fibre sottile con maglie strette, in modo che solo i nutrienti possano passare attraverso il tessuto fibroso, ma non le cellule del tessuto connettivo. Con un diametro di fibra di un micrometro e maglie corrispondenti, le cellule crescono invece nel reticolo fibroso, si moltiplicano e agiscono rigenerando il tessuto circostante. «Regolando le proprietà del materiale, come diametro delle fibre e dimensione delle maglie, possiamo influenzare desiderabilmente il comportamento delle cellule», afferma Christ. Per la produzione delle fibre, gli impianti necessari presso il Fraunhofer ISC vengono progettati in modo applicativo e su misura per il cliente. Anche la forma e le dimensioni delle fibre possono essere adattate alle esigenze specifiche.

Al contrario della membrana, che subito dopo l'applicazione, a causa della sua natura aperta, permette il trasporto di nutrienti ma non il passaggio delle cellule, molti prodotti disponibili sul mercato consentono spesso questo tipo di trasporto solo dopo la degradazione biologica o dopo l'inizio di questa. Tuttavia, una guarigione rapida ed efficace delle ferite è possibile solo se il tessuto ferito riceve sufficienti nutrienti. Allo stesso tempo, devono essere rimossi i prodotti di scarto metabolici, cosa favorita dalla struttura aperta a maglie della membrana di gel di silice.

Membrana con carattere inorganico

Un altro vantaggio: la membrana Renacer® si dissolve completamente e si decompone quasi pH-neutrale in acido monoesilico non tossico, l'unica forma solubile in acqua di silice. È naturalmente presente nel corpo e stimola la formazione di tessuto connettivo nella pelle e la formazione ossea. Tali proprietà non sono presenti in prodotti attualmente disponibili. Molti materiali biodegradabili si dissolvono in acidi organici come acido lattico o glicolico, il che può causare un'eccessiva acidificazione locale del tessuto e scatenare reazioni infiammatorie del sistema immunitario. «I nostri test hanno dimostrato che anche il prodotto di dissoluzione, l'acido monoesilico, non è tossico e completamente compatibile con le cellule», afferma Ziemann. «La membrana si decompone in un singolo molecola — l'acido monoesilico.»

Fibre come deposito di principi attivi

Inoltre, è possibile integrare principi attivi nel tessuto fibroso, che vengono rilasciati con la dissoluzione del materiale. «Durante la riassorbimento, ad esempio, si potrebbe rilasciare un antibiotico su una ferita nel corpo, per evitare la formazione di focolai batterici», spiega Christ. Nel progetto finanziato dal BMBF «GlioGel», presso il Fraunhofer ISC si sta verificando se la piattaforma di materiali Renacer® possa essere utilizzata come deposito di principi attivi per il trattamento di tumori cerebrali.