Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

Quando un osso si rompe gravemente, i medici spesso devono sostituire il pezzo mancante con uno scaffold, una struttura tridimensionale temporanea che guida la crescita del nuovo osso. Affinché ciò funzioni, lo scaffold deve essere più di una semplice gabbia vuota; deve essere abbastanza resistente da sostenere il peso, abbastanza poroso da permettere il flusso di vasi sanguigni e nutrienti, e abbastanza attivo dal punto di vista chimico da incoraggiare le cellule a costruire nuovo tessuto. La natura ha già risolto questo problema nei gusci dei crostacei e nelle scaglie dei pesci, dove strati di materiale sono intrecciati in un motivo a spirale per creare strutture che siano allo stesso tempo robuste e flessibili. Gli scienziati chiamano questa struttura "Bouligand". La sfida per gli ingegneri è ricreare questo design naturale in modo da imitare l'osso umano senza essere troppo rigidi, il che può indebolire e dissolvere l'osso circostante, o troppo deboli per sostenere il corpo.

Un team di ricercatori presso il Vellore Institute of Technology in India si è posto l'obiettivo di progettare e costruire un nuovo tipo di scaffold osseo che combini questa architettura a spirale con una speciale miscela di materiali. Volevano creare una struttura che non solo sostenga il peso, ma che generi anche minuscoli segnali elettrici quando viene compressa, una proprietà nota come piezoelectricità. Nel corpo umano, l'osso naturale produce questi segnali elettrici quando sopporta un carico, e questi segoli aiutano a dire alle cellule ossee di crescere e ripararsi. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno mescolato una ceramica simile all'osso, l'idrossiapatite, con una ceramica piezoelettrica, il titanato di bario, e una piccola quantità di materiale di carbonio conduttivo noto come grafene. Hanno utilizzato simulazioni al computer per testare migliaia di diverse combinazioni di questi materiali e diversi livelli di porosità, cercando il perfetto equilibrio in cui lo scaffold fosse resistente, permettesse il flusso di fluidi e generasse la giusta quantità di elettricità per aiutare la guarigione dell'osso.

I ricercatori hanno iniziato modellando minuscoli cubi della loro miscela di materiali per prevedere come i diversi ingredienti si sarebbero comportati insieme. Scoprirono che l'aggiunta di titanato di bario rendeva il materiale più rigido e più attivo elettricamente, mentre il grafene aiutava a condurre la carica elettrica in modo più efficiente. Tuttavia, scoprirono anche che un eccesso di materiale piezoelettrico poteva essere dannoso per le cellule, quindi trovare la quantità giusta era fondamentale. Hanno poi scalato queste scoperte per progettare scaffold a grandezza naturale con una struttura a strati e a spirale. Utilizzando modelli informatici avanzati, hanno simulato come questi scaffold gestirebbero la pressione e come l'acqua sarebbe fluita attraverso i loro pori. Le simulazioni hanno mostato che uno scaffold con il 70 percento di materiale solido e il 30 percento di spazio vuoto offriva il miglior equilibrio. Questo design specifico, composto da una miscela del 90 percento di idrossiapatite, 9,9 percento di titanato di bario e 0,1 percento di grafene, corrispondeva alla rigidità dell'osso spugnoso umano denso e generava un segnale elettrico entro l'intervallo sicuro e benefico per la crescita ossea.

Una volta finalizzato il design al computer, la squadra si è spostata in laboratorio per costruirlo. Hanno mescolato le polveri ceramiche con un legante liquido per creare una pasta densa, simile a un'argilla pesante, che hanno caricato in una stampante 3D. La stampante funzionava come una pistola per colla ad alta precisione, estrudendo sottili filamenti della pasta strato dopo strato. I ricercatori hanno dovuto calibrare attentamente la velocità di stampa e la pressione utilizzata per spingere fuori la pasta, assicurandosi che i filamenti mantenessero la forma senza collassare o espandersi troppo. Hanno testato diverse concentrazioni di legante per trovare quella che permettesse ai filamenti di rimanere compatti immediatamente dopo la stampa. Con le impostazioni corrette, hanno stampato con successo la complessa struttura a spirale, creando un oggetto solido con una rete di piccoli fori interconnessi che lo attraversano.

Il prodotto finale era un piccolo cilindro bianco e poroso che somigliava a un minuscolo nido d'ape, ma con un motivo interno a strati e ritorto. Quando i ricercatori hanno esaminato l'oggetto stampato al microscopio, hanno confermato che i diversi materiali erano mescolati uniformemente e che i filamenti erano resistenti e uniformi. I modelli informatici avevano previsto che questo specifico design avrebbe permesso al fluido di fluire attraverso di esso a un ritmo simile a quello dell'osso umano naturale, e la struttura fisica ha confermato questo potenziale. Lo studio dimostra che, copiando il design a spirale della natura e mescolando attentamente materiali specifici, è possibile creare uno scaffold che sia meccanicamente compatibile con il corpo umano e capace di stimolare la crescita ossea attraverso segnali elettrici. Sebbene i ricercatori notino che sono necessari ulteriori test in sistemi viventi per confermare quanto bene questi scaffold funzionino all'interno di un corpo, il successo del design e della fabbricazione di questa struttura rappresenta un passo significativo verso trattamenti migliori ed più efficaci per gravi lesioni ossee.