Idrogel: cambiare l'assistenza sanitaria in modi strani

Il 23 maggio 2023, un mondo in cui una semplice iniezione può guarire un osso rotto, i dispositivi ingeribili possono monitorare la nostra salute e gli impianti cerebrali e cardiaci possono integrarsi perfettamente con la carne, potrebbe non essere lontano. Per decenni, gli scienziati dei materiali hanno lavorato per imitare la complessa architettura del corpo umano nella speranza di sostituire le parti rotte o curare le malattie. Tuttavia, la maggior parte delle parti sostitutive e correttive, dalle protesi ai pacemaker, sono costituite da materiali duri, secchi e senza vita come metallo o plastica, mentre il tessuto biologico è morbido, umido e vivo. Il corpo conosce la differenza e tende a rifiutare le imitazioni. È qui che entrano in gioco gli idrogel.

Gli idrogel sono reti tridimensionali di molecole rigonfie di acqua. Sono stati descritti per la prima volta nel 1960 dai creatori di lenti a contatto morbide e sono in grado di trasformarsi da liquido a solido fino a diventare una via di mezzo. Gli idrogel sono come un sacchetto di acqua a rete fatto di polimeri, o filamenti di molecole simili a spaghetti, cuciti insieme in uno schema ripetuto e gonfiati di H2O. Le ossa umane sono costituite per circa il 25% da acqua, mentre i muscoli si aggirano attorno al 70% e il cervello all'85%. Il prezioso liquido svolge una serie di ruoli critici, dal trasporto dei nutrienti all'interno e all'esterno dell'organismo, all'aiutare le cellule a comunicare tra loro. Gli idrogel prodotti in laboratorio possono essere caricati con carichi, comprese cellule o farmaci che aiutano a imitare alcune di queste funzioni.

Gli idrogel sono anche morbidi e flessibili come la carne. Pertanto, se utilizzati negli impianti, potrebbero avere meno probabilità di danneggiare i tessuti circostanti. Gli idrogel tendono anche a non essere tossici, quindi il sistema immunitario potrebbe avere meno probabilità di attaccarli come corpi estranei. Tutto ciò ha reso gli idrogel il nuovo tesoro del mondo della bioingegneria.

Gli idrogel sono ideali per unire uomo e macchina. Eric Appel, PhD, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria presso l'Università di Stanford, paragona gli idrogel a una rete da calcio, con tutte queste lunghe fibre intrecciate insieme per creare la rete. Mentre la categoria più ampia dei “gel” potrebbe essere riempita con qualsiasi cosa, compresi i solventi chimici, l’acqua è l’ingrediente chiave che distingue gli idrogel.

Gli idrogel hanno il potenziale di trasformare il modo in cui assumiamo i farmaci e trattiamo le articolazioni usurate. Appel ha armeggiato per anni con formule in gel nella speranza che questi globuli high-tech potessero un giorno trasportare farmaci a rilascio temporizzato proprio nel punto giusto del corpo. I suoi nuovi idrogel iniziano come gel completamente formati all'interno di una siringa. Ma una volta premuto lo stantuffo, magicamente cambiano forma in un liquido abbastanza fluido da fluire facilmente attraverso un ago standard. All'uscita, si riformano immediatamente in gel, proteggendo il carico intrinseco dal degrado. Tali idrogel a rilascio lento potrebbero far durare più a lungo i vaccini e fornire terapie antitumorali in modo più preciso.

Nel frattempo, un altro team del Massachusetts Institute of Technology ha adottato un approccio diverso, sviluppando una pillola di idrogel ingeribile di dimensioni standard che si gonfia come un pesce palla nello stomaco, durando un mese e rilasciando lentamente i farmaci nel frattempo. Per rimuovere la pillola, il paziente beve semplicemente una soluzione a base di sale che accartoccia il dispositivo delle dimensioni di una pallina da ping-pong in modo che possa essere espulso dal corpo. La pillola del pesce palla potrebbe anche essere caricata con minuscole telecamere o monitor per monitorare condizioni come ulcere o cancro.

Si è pensato anche che gli idrogel potessero sostituire la cartilagine umana. Wiley e i suoi colleghi della Duke hanno recentemente riferito di aver sviluppato il primo sostituto della cartilagine a base di gel ancora più forte e durevole di quello reale. Attaccando il loro idrogel a un supporto in titanio per fissarlo in posizione, sperano di riparare la cartilagine danneggiata "proprio come un dentista riempie una cavità" molto prima che sia necessario un intervento chirurgico.

All'Università di Toronto, la chimica Karina Carneiro, PhD, e il dentista Christopher McCulloch, DDS, hanno sviluppato un idrogel fatto di DNA che può essere iniettato, migrare verso un difetto nell'osso e riempire il vuoto come mastice. Ma non solo ripara il buco, ma stimola l’osso a rigenerarsi.

Le applicazioni potenziali più sfrenate degli idrogel riguardano il campo dell’interazione uomo-macchina. Numerose aziende si stanno già dilettando nello sviluppo di protesi neurali o interfacce per computer cerebrali che un giorno potrebbero consentire a qualcuno che è paralizzato e non riesce a parlare di scrivere su un laptop usando il pensiero. Il problema del cucchiaio nella gelatina è stato un grosso ostacolo. Ma Christina Tringides, PhD, una scienziata dei materiali che studia ingegneria neurale, e il suo team hanno sviluppato un idrogel a base di alghe caricato con minuscoli granelli di nanomateriali che non solo possono fondersi bene nel morbido tessuto cerebrale ma anche condurre elettricità. Entro un decennio, questo potrebbe sostituire i goffi dischi metallici di platino utilizzati per l’elettrocorticografia.