Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

Quando il cuore subisce un attacco massiccio, un'ostruzione interrompe l'apporto di sangue, lasciando una chiazza di tessuto muscolare morto e incapace di guarire da solo. A differenza di una frattura ossea che si ricompone, il muscolo cardiaco ha una capacità di rigenerazione molto limitata. Una volta che le cellule muoiono, esse scompaiono, sostituite da un tessuto cicatriziale rigido che non può pompare sangue. Per risolvere questo problema, gli scienziati stanno esplorando un metodo chiamato ingegneria dei tessuti, che mira a costruire strutture artificiali temporanee in grado di sostenere nuove cellule cardiache e incoraggiarne la crescita. Queste strutture, note come scaffold, devono fare di più che limitarsi a tenere in posizione le cellule; devono imitare l'ambiente naturale del cuore, che è morbido, flessibile e invia costantemente segnali elettrici per mantenere il battito ritmico. La sfida risiede nel creare un materiale che sia abbastanza resistente da gestire lo stress fisico di un cuore che batte, abbastanza sicuro da essere accettato dal corpo e abbastanza conduttivo da trasportare quegli impulsi elettrici vitali.

In uno studio recente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di creare uno scaffold di questo tipo combinando tre materiali distinti in un unico foglio funzionale. Hanno unito una plastica sintetica nota per la sua elasticità, un polimero naturale a base di zuccheri trovato nei crostacei e un tipo speciale di plastica in grado di condurre elettricità. La plastica sintetica, il poliuretano termoplastico, fornisce l'elasticità e la durata necessarie. Il polimero naturale, il chitosano, offre una superficie che le cellule viventi riconoscono e su cui amano aderire. Per risolvere il problema della conducibilità elettrica, il team ha aggiunto il polipirrolo, un materiale che permette all'elettricità di fluire attraverso di esso, proprio come un filo, ma in una forma che può essere miscelata con altri materiali morbidi. Hanno incluso anche due additivi comuni, l'alginato di sodio e il gluconato di calcio, per aiutare la miscela a mantenere la propria forma e a interagire meglio con il corpo. L'obiettivo era vedere se questa specifica combinazione potesse creare una struttura stabile e porosa capace di sostenere la crescita delle cellule cardiache e di condurre elettricità.

I ricercatori hanno iniziato sciogliendo questi componenti in vari solventi e mescolandoli in diversi rapporti per trovare l'equilibrio perfetto. Hanno scoperto che semplicemente mescolare la plastica e il polimero naturale senza gli altri ingredienti risultava in un foglio troppo denso e privo dei piccoli fori, o pori, di cui le cellule hanno bisogno per respirare e muoversi attraverso di essi. Tuttavia, quando hanno introdotto gli additivi e il materiale conduttivo, la miscela è cambiata. Gli additivi hanno aiutato a creare una struttura simile a una spugna con pori interconnessi, essenziale affinché le cellule possano infiltrarsi nel materiale. Man mano che aumentavano la quantità di polipirrolo conduttivo, i pori diventavano più piccoli e la superficie del materiale più ruvida. Questa rugosità è in realtà benefica, poiché fornisce alle cellule una maggiore superficie su cui aggrapparsi, proprio come una superficie testurizzata offre una presa migliore rispetto a una liscia.

Fondamentalmente, l'aggiunta del materiale conduttivo ha trasformato le proprietà elettriche dello scaffold. La miscela di base di plastica e polimero naturale non conduceva affatto elettricità. Ma non appena è stato aggiunto il polipirrolo, il foglio è diventato capace di trasportare una corrente elettrica. Più polipirrolo aggiungevano, meglio il foglio conduceva l'elettricità. Questa è una scoperta vitale perché le cellule cardiache si affidano ai segnali elettrici per coordinare il loro battito; uno scaffold che non può condurre elettricità fallirebbe nel sostenere il ritmo naturale del cuore. Il team ha anche testato come il materiale interagiva con l'acqua. Mentre la miscela di base respingeva l'acqua, l'aggiunta del materiale conduttivo rendeva la superficie più affine all'acqua, il che generalmente aiuta le cellule ad attaccarsi e a diffondersi più facilmente.

Per verificare se questi nuovi materiali fossero sicuri ed efficaci, i ricercatori li hanno testati su cellule cardiache viventi e cellule dei vasi sanguigni in un ambiente di laboratorio. Hanno scoperto che le cellule non solo sopravvivevano sugli scaffold, ma crescevano bene e aderivano saldamente alla superficie. Le cellule cardiache mantenevano la loro forma caratteristica e iniziavano persino a mostare segni di sviluppo delle strutture interne necessarie per la contrazione. Lo studio ha anche esaminato come gli scaffold si degradassero nel tempo. I materiali erano progettati per essere biodegradabili, il che significa che si sarebbero dissolti lentamente man mano che il nuovo tessuto si formava. I risultati hanno mostrato che gli scaffold con il materiale conduttivo si degradavano leggermente più velocemente della miscela di base, probabilmente perché assorbivano più acqua. Ciò suggerisce che potrebbero scomparire a un ritmo che corrisponde alla crescita del nuovo tessuto cardiaco.

Oltre a sostenere le cellule cardiache, i ricercatori hanno indagato se gli scaffold potessero incoraggiare la crescita di nuovi vasi sanguigni, un processo noto come angiogenesi. Senza un nuovo apporto di vasi sanguigni, il nuovo tessuto cardiaco non può sopravvivere. Utilizzando un modello biologico composto da embrioni di pollo, hanno osservato che gli scaffold contenenti il materiale conduttivo e l'additivo del calcio promuovevano la crescita di nuovi vasi sanguigni in modo più efficace rispetto alla miscela di base. Ciò indica che la specifica combinazione di ingredienti non solo sostiene direttamente le cellule del muscolo cardiaco, ma aiuta anche a costruire la necessaria rete vascolare per nutrirle. Lo studio ha anche notato che gli scaffold mostravano una certa capacità di inibire la crescita di alcuni batteri, il che potrebbe essere un effetto collaterale utile per prevenire infezioni dopo l'impianto.

I ricercatori hanno concluso che la versione più promettente del loro scaffold era quella contenente una specifica quantità moderata di materiale conduttivo. Questa versione offriva il miglior equilibrio: era abbastanza forte da mantenere la forma, abbastanza flessibile da muoversi con il cuore, abbastanza conduttiva da trasportare segnali elettrici e abbastanza porosa da permettere alle cellule di crescere all'interno. Sebbene lo studio non abbia testato il materiale all'interno di un cuore umano o animale vivente, i risultati di laboratorio suggeriscono che questa combinazione di materiali crea un ambiente favorevole per la riparazione cardiaca. Regolando attentamente la miscela di plastica sintetica, polimero naturale e materiale conduttivo, il team ha creato una piattaforma che affronta i molteplici e complessi requisiti dell'ingegneria del tessuto cardiaco, offrendo un potenziale percorso per riparare il muscolo cardiaco danneggiato che attualmente non ha un modo naturale per guarire da sé.