I trapianti ossei stampati con laser potrebbero trasformare la guarigione delle ossa

Un gruppo di ingegneri dell’ETH Zurich ha presentato un modo più efficiente e pratico per creare innesti ossei. Il metodo impiega nuovi materiali e la stampa laser per consentire una guarigione più rapida e con meno rischi. Ecco cosa bisogna sapere.

Perché le fratture ossee stanno aumentando

Probabilmente conoscete almeno una persona che si è fratturata un osso. Queste esperienze possono andare dagli incidenti infantili ai traumi gravi, ma richiedono tutte assistenza medica per garantire che l’osso guarisca correttamente.

Purtroppo il numero di persone che subiscono fratture ossee è aumentato costantemente in tutto il mondo. La crescita riflette l’invecchiamento della generazione del baby boom. Secondo la International Osteoporosis Foundation (IOF), solo lo scorso anno sono state registrate tra gli anziani più di 37 milioni di fratture da fragilità, e si prevede che la tendenza continui con l’invecchiamento della popolazione.

Come le ossa guariscono naturalmente

Il corpo umano è straordinario e può guarire autonomamente le fratture lievi. Per farlo, invia prima diversi tipi di cellule dei tessuti molli nell’area danneggiata. Queste cellule temporanee agiscono come un’impalcatura, permettendo al nuovo osso di prendere forma e infine indurirsi.

Parte di questa capacità deriva dalla particolare combinazione di passaggi e spazi microscopici presenti nell’osso. Un minuscolo frammento osseo, più piccolo di una moneta, può contenere oltre 54 chilometri di tunnel microscopici.

Quando le fratture ossee richiedono un intervento chirurgico

In alcuni casi la frattura è così grave che il corpo non può guarire la lesione senza l’ulteriore assistenza di professionisti sanitari. Le fratture esposte più gravi devono essere stabilizzate con perni metallici e impianti.

Anche l’asportazione di un tumore può lasciare una parte dell’osso mancante. I medici devono riempire questo segmento per stabilizzare correttamente l’osso. Talvolta l’innesto viene realizzato con osso prelevato dal paziente.

Autotrapianti

Gli autotrapianti sono la soluzione più comune adottata dai professionisti sanitari in queste situazioni. Possono assumere varie forme, ma le opzioni più diffuse impiegano osso del paziente, ceramica o metallo.

Problemi con gli autotrapianti

Gli autotrapianti possono migliorare la guarigione, ma presentano anche svantaggi. La procedura richiede un intervento aggiuntivo per prelevare il tessuto osseo da utilizzare nell’innesto. Ciò aumenta costi, rischi e tempi, oltre a richiedere altro personale specializzato.

La scoperta di ETH Zurich sui trapianti ossei stampati con laser

L’articolo scientifico «A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1»¹, pubblicato su Advanced Materials, illustra un approccio completamente nuovo che potrebbe trasformare l’assistenza sanitaria.

Microfabbricazione 2PP

Per creare innesti migliori e più stabili, il gruppo ha adottato un metodo noto come polimerizzazione a due fotoni (2PP). Sviluppata inizialmente come tecnica di scrittura laser diretta per l’ingegneria tissutale e lo sviluppo di farmaci, si basa su impulsi laser a femtosecondi.

Questi piccoli laser ad alta intensità servono a indurire speciali materiali fotosensibili. Il metodo consente agli ingegneri di creare architetture tridimensionali ad alta risoluzione su scala submicrometrica. Proprio questa capacità ha attirato l’attenzione di Xiao-Hua Qin, professore di Ingegneria dei biomateriali all’ETH Zurich, e del suo gruppo.

Era necessario un nuovo idrogel

Imitare la matrice extracellulare (ECM) umana non è facile, perché richiede un livello di complessità che le tecniche 2PP tradizionali non offrivano. Il gruppo ha osservato che un laser a due fotoni concentra la reazione fotochimica esattamente in una sola area, garantendo un controllo molto maggiore rispetto ai precedenti approcci a laser singolo.

Il gel, tuttavia, non era abbastanza rigido da mantenere la forma né abbastanza reattivo da restare in posizione. Per risolvere questi problemi, il gruppo si è concentrato sulla creazione di un nuovo idrogel.

L’attuale fabbricazione 2PP utilizza un idrogel contenente proteine (met)acrilate.  Sono comunemente impiegati reticolanti tiolici commerciali solubili in acqua, come il ditiotreitolo. Queste proteine non dispongono dei forti meccanismi di reticolazione necessari a sostenere la crescita ossea.

Fonte – ETH Zurich

Questo materiale non può sostenere il livello di complessità richiesto dall’osso umano e, durante le prove, ha prodotto numerosi difetti strutturali. La soluzione tradizionale sarebbe stata aumentare la concentrazione di polimero, ma il gruppo ha scelto un approccio diverso.

Reticolante tiolico PVA (PVASH)

Gli ingegneri hanno deciso di sviluppare un idrogel completamente nuovo. L’idrogel con reticolante tiolico macromolecolare di alcol polivinilico solubile in acqua (PVASH) utilizza molecole specializzate per rimanere stabile e biocompatibile.

In particolare, il gruppo ha dapprima miscelato PVASH con PVA funzionalizzato con norbornene (nPVA). Ha poi aggiunto fotoiniziatori per garantire il corretto funzionamento del processo laser.

La modifica principale consiste nell’introduzione di più gruppi reattivi. Questa strategia fa indurire il gel più rapidamente e completamente quando viene colpito dalla radiazione laser. Ha inoltre permesso di usare una molecola per collegare la catena polimerica e un’altra per garantire la reazione alla luce.

Stampa laser

La stampa laser offre un importante vantaggio: permette di ottenere strutture ossee naturali con dettagli larghi appena 500 nanometri. Il gruppo ha impiegato un laser da 20 mW.

Questa precisione microscopica garantisce che le strutture ossee abbiano cavità e passaggi naturali. Inoltre, i progetti possono essere programmati in anticipo e prodotti a ben 400 millimetri al secondo. La velocità costituisce un nuovo record mondiale e dimostra l’importanza del progresso per accelerare il recupero dei pazienti.

Micro-scheletri

Il materiale sembra riprodurre la complessità dell’osso umano al punto che le cellule avviano subito il normale processo di guarigione. I chilometri di tunnel e passaggi microscopici forniscono l’adesione ideale per attrarre e sostenere la crescita di cellule sane.

Test di laboratorio sui micro-scheletri ossei stampati con laser

Gli scienziati hanno svolto varie prove di laboratorio per verificare se la teoria reggesse in condizioni realistiche. Gli ingegneri sono stati lieti di osservare una rapida crescita cellulare negli esperimenti.

L’idrogel è stato stampato nella forma personalizzata e, in pochi giorni, l’organismo ha iniziato a produrre collagene, una delle fasi più importanti della crescita ossea. Gli ingegneri hanno anche osservato come il polimero si disgregasse nell’organismo, constatando che è completamente innocuo.

Hanno quindi valutato l’idrogel e le molecole di reticolazione tiolo-ene. Le prestazioni hanno superato le aspettative, producendo una riparazione forte e naturale del tessuto danneggiato in meno tempo rispetto ad altri metodi.

Risultati dei test sui trapianti ossei stampati con laser

I risultati dimostrano l’importanza del lavoro per il settore sanitario. Gli scienziati hanno registrato notevoli miglioramenti in ogni fase, dalla modellazione dell’innesto e dall’ingresso delle cellule fino alla biodegradazione dell’impalcatura. Il lavoro si è dimostrato preciso, generando cellule ossee guarite identiche a quelle prodotte naturalmente.

Vantaggi dei trapianti ossei stampati con laser

Il nuovo idrogel offre numerosi vantaggi. Permette anzitutto maggiore flessibilità nella struttura e nel posizionamento. Gli idrogel tradizionali non sono modellabili. L’aggiunta di molecole di collegamento aumenta molto la stabilità e consente una modellazione diretta in base alle esigenze del singolo paziente.

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Fedeltà

Un altro grande vantaggio è la maggiore fedeltà offerta dal metodo. I nuovi idrogel basati su PVASH mettono a disposizione degli ingegneri più possibilità per il progetto e per la complessità complessiva della struttura a livello microscopico.

Migliore risposta del paziente

Sebbene gli scienziati abbiano condotto solo prove di laboratorio, hanno osservato che la nuova strategia causava molto meno gonfiore durante la guarigione. Ciò avviene perché l’idrogel è biocompatibile e viene accettato dalle cellule dell’organismo più facilmente delle alternative in metallo o ceramica.

Applicazioni reali & Tempistica:

Le applicazioni concrete della scoperta possono estendersi a diversi settori. L’impiego più evidente è nella sanità, dove potrebbe ridurre i costi e i tempi di recupero dei pazienti con fratture ossee.

Protesi

In futuro la tecnologia potrebbe consentire di creare protesi più realistiche, simili per aspetto e sensazione a vere parti del corpo anziché a sostituti. In condizioni ideali, la tecnologia potrebbe porre le basi e lasciare che la crescita cellulare completi il lavoro.

Robotica

Anche il settore della robotica potrebbe sfruttare questa tecnologia per creare strutture biomeccaniche più resistenti. Questi sistemi potrebbero combinare cellule e strutture viventi con dispositivi meccanici per realizzare macchine più efficienti e capaci.

Tempistica

Potrebbero trascorrere almeno dieci anni prima che la tecnologia sia abbastanza matura per l’uso sull’uomo. La ricerca è ancora agli inizi e, nonostante i risultati ottenuti, restano molti ostacoli scientifici e normativi da superare prima che possa diffondersi.

Ricercatori dei trapianti ossei stampati con laser

I ricercatori dell’ETH Zurich hanno diretto lo studio sugli innesti ossei stampati con il laser. L’articolo indica Xiao-Hua Qin e Ralph Müller come autori principali. Hanno collaborato Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang e Philipp Fisch.

Futuro

Il futuro degli innesti ossei stampati con il laser è ancora da determinare. La tecnologia è sensata e ha mostrato grandi potenzialità. Restano tuttavia molte prove da svolgere, compresi gli studi sull’uomo.

Il prossimo passo sarà passare agli studi sugli animali. Gli scienziati hanno già annunciato una collaborazione strategica con l’AO Research Institute Davos per agevolare questa fase di sviluppo. In base ai risultati, la ricerca passerà poi ai pazienti umani.

Investire nell’innovazione HealthTech

Diverse aziende continuano a promuovere l’innovazione nel settore HealthTech. Hanno dimostrato la volontà di cercare soluzioni creative a questo problema cruciale. Quella che segue è un’azienda pioniera del mercato che vale la pena conoscere.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical (XTNT ) Holdings nacque come Bacterin International in un laboratorio della Montana State University nei primi anni Novanta. Il progetto mirava a studiare pratiche mediche migliori, con particolare attenzione agli impianti di medicina rigenerativa.

L’azienda assunse il nome Xtant Medical Holdings nel 2000 e nel 2006 lanciò una linea di impianti chirurgici. I prodotti ottennero grande attenzione e nel 2013 la società completò con successo la quotazione in borsa. Nello stesso periodo iniziò ad acquisire altre aziende di ricerca ossea rigenerativa, tra cui X-spine nel 2016.

Nel 2020 Xtant ha concentrato l’attenzione sulla ricostruzione della colonna vertebrale.  Nell’ambito della strategia ha continuato a effettuare acquisizioni e stringere collaborazioni strategiche. Da allora l’azienda si è nuovamente espansa in altri campi della medicina ossea rigenerativa.

Oggi Xtant è riconosciuta come una delle principali aziende ortobiologiche al mondo. Offre diversi prodotti progettati per migliorare gli esiti dei pazienti e continua a investire in soluzioni più efficienti. Chi cerca un’azienda MedTech affidabile dovrebbe approfondire l’offerta di Xtant.

Ultime notizie e performance di Xtant Medical Holdings (XTNT)

Conclusione sui trapianti ossei stampati con laser

È facile capire perché vi sia una forte spinta a trovare soluzioni migliori per chi soffre di lesioni ossee complesse, come i traumi alla colonna vertebrale. La popolazione sta invecchiando e queste lesioni diventeranno più comuni. Il lavoro potrebbe quindi porre le basi per metodi di guarigione più rapidi e affidabili.

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Riferimenti

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. Un macrotiolo di PVA solubile in acqua consente la microfabbricazione a due fotoni di strutture idrogel interattive con le cellule a 400 mm s−1. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}