Idrogel di collagene progettati acusticamente

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Attraverso dispositivi di emissione acustica è possibile manipolare la struttura di idrogel di collagene con enormi ricadute nella sintesi di biomateriali
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Idrogel di collagene progettati acusticamente

l amaggior parte dei tessuti molli come pelle, tendini e tessuto osseo duro sono composti principalmente da collagene di tipo I. Le eccezionali proprietà del collagene hanno spinto molti ricercatori a sfruttarlo per applicationi biomediche. La ricerca è ora impegnata nella manipolazione della  struttura del collagene con lo scopo di ingegnerizzare tessuti umani. In tal modo sarà possibile un giorno migliorare la riparazione di tessuti biologici complessi.

La sensibilità agli ultrasuoni

I ricercatori dell’Università di Rochester a New York, guidati da Norris, puntano sulla manipolazione del collagene tramite ultrasuoni per la progettazione di biomateriali 3D [Norris et al.Materials Today Bio (2019) ]. Il progetto è stato portato avanti grazie ad un sistempa di esposizione ad ultrasuoni che ha permesso di intervenire strutturalmente nel collagene all’interno di un tessuto molle.

Solitamente interventi di questo  tipo sono molto invasivi, tuttavia il team ha progettato un sistema di azione molto sicuro. Il sistema infatti emette onde ecografiche con grande precisione site- specific, causando variazioni locali nella microstruttura del collagene. Per dimostrare questi straordinari effetti il team ha impiegato degli idrogel applicando le onde ad ultrasuoni durante il processo di polimerizzazione.

In assenza di ultrasuoni, gli idrogel sono fabbricati con fibre di collagene corte, orientate in modo casuale e distribuite in modo omogeneo. Invece, esponendo il collagene solubile alle onde ultrasoniche (7,8 MHz in un intervallo di 3,2-10 W / cm2) durante la polimerizzazione, si formano idrogel con caratteristiche strutturali distinte. Le fibre allineate radialmente, le strutture fibrillari eterogenee e le regioni di porosità interconnesse possono essere generate controllando l’intensità degli ultrasuoni.

Microstrutturazione controllata degli idrogel

I ricercatori dimostrano che gli ultrasuoni modificano la microstruttura del collagene, consentendo il rimodellamento delle fibre tessuitali. Sottili cambiamenti conformazionali nel collagene portano a una riduzione degli attaccamenti cellula-substrato e facilitano la migrazione cellulare. I ricercatori dimostrano un effetto spaziale specifico della modificazione acustica dei gel sull’adesione cellulare. Si è osservato infatti un minor numero di fibroblasti che hanno aderito agli ultrasuoni esposti, rispetto a quelli non esposti. Sorprendentemente, le cellule sulle regioni esposte agli ultrasuoni migrano in aggregati circolari allineati radialmente che si co-localizzano con fasci di fibre di collagene, una disposizione specifica di fibre su microscala. La modifica acustica deriva da effetti meccanici piuttosto che termici e sensibilizza il collagene agli eventi di rimodellamento cellulare.

Un modello di espianto cutaneo a tutto spessore ex vivo dimostra la capacità di diversi tipi di cellule di modificare il microambiente circostante all’interno degli idrogel esposti agli ultrasuoni, organizzandosi in strutture fibrillari multicellulari. Un comportamento opposto alle cellule negli idrogel di controllo non esposti. Pertanto, le tecnologie basate sull’acustica consentono la fabbricazione di un biomateriale 3D con microstruttura controllata.

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