Alla scoperta degli idrogel: biomateriali dalle molteplici applicazioni cliniche

di Giuseppe Alonci

Questo è il primo di due articoli nei quali cercheremo di esplorare la chimica e le applicazioni cliniche di una particolare classe di biomateriali: gli idrogel. L’introduzione degli idrogel come biomateriali si può far risalire al pioneristico lavoro di Wichterle e Lim del 1960 e ai loro studi sulle lenti a contatto, mentre già nel 1980 Lim e Sum riuscirono nell’impresa di utilizzarli per incapsulare delle cellule. Successivamente idrogel basati sul collagene vennero studiati per la medicazione delle ustioni e oggi, oltre a tutte queste applicazioni, sono usati anche come supporti per l’ingegneria tissutale, cioè per la produzione e riparazione di organi e tessuti. In questa prima parte daremo una definizione generale di idrogel e inizieremo ad affrontare alcune delle loro possibili applicazioni cliniche. Nella seconda parte ne approfondiremo meglio le caratteristiche chimiche, vedremo come è possibile sintetizzare materiali intelligenti che possano rispondere attivamente agli stimoli esterni e come utilizzarli per intervenire su numerose patologie.

Un idrogel biocompatibile basato su un network di poliammidoammine

Un idrogel biocompatibile basato su un network di poliammidoammine

Con la parola “biomateriali” si fa riferimento a materiali che sono stati ideati per uno scopo medico, sia terapeutico che diagnostico. Gli usi terapeutici dei biomateriali sono molteplici: protesi, impianti, valvole artificiali, rilascio graduale di farmaci, ma anche tissue engineering, ingegneria tissutale, cioè la creazione di supporti (scaffold) che permettano la crescita controllata e organizzata di cellule per la produzione artificiale di tessuti. Trattandosi di un argomento estremamente vasto e variegato, coinvolge non solo chimici, ma anche biologi, medici, ingegneri biomedici e tante altre professionalità.
Le caratteristiche fondamentali che un biomateriale deve rispettare sono molteplici. Innanzi tutto deve essere biocompatibile. Questo vuol dire non solo che non deve essere tossico, ma anche che non deve dar luogo a reazioni infiammatorie o di rigetto e deve potersi integrare al meglio con i tessuti circostanti. A seconda dell’applicazione, deve inoltre essere o biodegradabile o, al contrario, estremamente resistente alla corrosione e all’azione di tutte le molecole naturalmente presenti nel nostro corpo. In entrambi i casi il materiale deve inoltre avere delle proprietà meccaniche adeguate, come la durezza, la resistenza agli sforzi o l’elasticità. Nel caso in cui il materiale debba essere biodegradabile è necessario che la degradazione avvenga in maniera controllata e precisa, magari in risposta a stimoli predeterminati, e che anche i prodotti di degradazione possano essere facilmente espulsi e non siano dannosi per l’argomento.
A causa del gran numero di applicazioni possibili e delle differenti caratteristiche richieste per ognuna di queste (un biomateriale può anche essere biocompatibile per una applicazione ma non per un’altra!) esiste una grande varietà di materiali diversi in fase di studio. Tra di questi alcuni dei più promettenti sono gli idrogel, considerati come i primi veri biomateriali per uso umano e che, dalla loro introduzione nel 1960, sono stati impiegati per le loro caratteristiche nelle maniere più disparate.

 

Che cos’è un idrogel?

Dal punto di vista strettamente tecnico, possono essere definiti come «un reticolo polimerico tridimensionale e idrofilo capace di assorbire ingenti quantità di acqua o fluidi biologici»1.  Dato che questa definizione può sembrare un po’ oscura ai non addetti ai lavori, è utile analizzarla parola per parola.
Innanzi tutto, si tratta di materiali idrofili. Questo vuol dire che dal punto di vista chimico sono composti da molecole che sono in qualche modo “affini” all’acqua. In generale le sostanze si possono dividere in idrofile, cioè che interagiscono fortemente con l’acqua, o in idrofobe, cioè che con l’acqua non vogliono avere niente a che fare. L’olio o alcuni tipi di plastiche, come per esempio il polietilene, sono un classico esempio di sostanze idrofobe, mentre il sale o il cotone sono sostanze idrofile. Come è generalmente noto, il nostro corpo è costituito da acqua per circa il 60-70%.

Swelling: confronto tra un idrogel anidro (a destra) e uno completamente rigonfiato (a sinistra)

Swelling: confronto tra un idrogel anidro (a destra) e uno completamente rigonfiato (a sinistra)

Il fatto che un materiale sia idrofilo e possa assorbire acqua fino per più di dieci volte il suo peso lo rende quindi in qualche maniera simile ai tessuti viventi, sebbene questo non possa a priori essere una sicurezza di biocompatibilità. Il contenuto in acqua di un idrogel è spesso descritto da un parametro chiamato equilibrium water content (EWC, contenuto d’acqua all’equilibrio), che è pari alla differenza tra il peso del materiale quando è completamente rigonfio d’acqua e il peso del materiale anidro (cioè secco), diviso il suo peso complessivo, il tutto moltiplicato per 100. In parole povere, se il materiale anidro pesava 10 g e una volta rigonfiato in acqua pesa 100 grammi, allora EWC=[(100-10)/100]*100= 90%.
Perché un materiale sia idrofilo deve rispettare un design preciso dal punto di vista chimico. Per esempio, deve contenere molti gruppi contenenti ossigeno o azoto, come ad esempio il gruppo idrossile (-OH, tipico degli alcol, come l’alcol etilico), oppure dei gruppi carbossile (-COOH, tipico degli acidi carbossilici, come l’acido acetico presente nel comune aceto di vino) o amminici (-NH2, simile a quello contenuto nell’ammoniaca). Questi gruppi a volte hanno anche della caratteristiche acido-base molto interessanti, per cui è anche possibile ottenere degli idrogel in cui alcune proprietà, come l’EWC, possono variare con il pH, permettendo ad esempio il rilascio controllato di un farmaco, come vedremo nel prossimo articolo.
Nella definizione troviamo anche scritto che un idrogel è costituito da un reticolo polimerico. Un polimero può essere immaginato come una specie di “molecola gigante” costituita da tanti mattoni più piccoli, detti monomeri. Esempi di polimeri naturali sono le proteine, che sono costituite da centinaia di amminoacidi legati tra di loro, oppure la cellulosa, costituita da tante molecole di glucosio legate tra di loro. Polimeri artificiali sono per esempio le plastiche, come il polietilene (per approfondire questo argomento potete leggere su questa piattaforma l’eccellente articolo del prof. Villani: “Un excursus di storia delle macromolecole: dai poliesteri al kevlar“).

Interazioni tra molecole di acqua ed un idrogel covalente

Interazioni tra molecole di acqua ed un idrogel covalente

Un polimero può essere lineare, quando tutti i monomeri si susseguono tra di loro in lunghe catene, come i vagoni in un treno; oppure reticolato, quando tutte le catene sono anche interconnesse tra di loro da legami chimici. Questi legami possono essere di due tipi: legami secondari (cioè interazioni principalmente di tipo fisico) o legami primari (cioè veri e propri legami covalenti)2.  Nel primo caso il materiale sarà in generale più soffice e avrà delle proprietà meccaniche molto scarse, ma essendo i legami secondari interazioni deboli hanno il vantaggio di essere reversibili, di conseguenza le proprietà dell’idrogel saranno fortemente dipendenti da quelle dell’ambiente circostante. Questo vuol dire che per esempio il gel può avere una transizione da uno stato fluido a uno più solido a seconda della temperatura; può avere caratteristiche di self-healing, cioè di autoriparazione; oppure può formarsi solo in determinate condizioni di pH o di salinità. In generale la formazione di un gel tenuto assieme da forze di tipo fisico è un processo di self-assembly, cioè di auto-organizzazione (vedi a questo proposito un altro articolo dello stesso autore cliccando sul link). Nel caso in cui i legami tra le molecole siano di tipo chimico le caratteristiche dell’idrogel saranno decisamente diverse. Innanzi tutto bisogna dire che sono fortemente dipendenti dalla natura e dalla quantità del cross-linker (cioè della molecola che si mette a ponte tra le catene). In generale i materiali così ottenuti sono più resistenti e hanno migliori proprietà meccaniche, ma hanno lo svantaggio che la loro formazione è spesso irreversibile (per cui non posso autoripararsi se subiscono un danno) e la sintesi richiede condizioni che non sempre sono compatibili con la vita, per cui spesso devono essere sintetizzati, purificati e solo successivamente possono essere impiegati. Il vantaggio consiste nel fatto che è molto più facile ottenere le proprietà e la morfologia desiderate, come ad esempio la presenza di porosità nel materiale delle dimensioni volute. Il fatto che questo tipo di reticolo contiene anche numerosi pori è decisamente positivo, in quanto permette meglio la diffusione dell’ossigeno e dei nutrienti e la crescita cellulare.

Idrogel "fisico", nel quale risultano fondamentali le interazioni elettrostatiche fra gruppi carichi

Idrogel “fisico”, nel quale risultano fondamentali le interazioni elettrostatiche fra gruppi carichi

Questo tipo di struttura è molto interessante perché ricorda proprio quella della matrice extracellulare, cioè l’impalcatura nella quale crescono le cellule che costituiscono il nostro corpo. Come vedremo successivamente riuscire a mimare la matrice extracellulare nella maniera più precisa possibile è fondamentale per riuscire nell’intendo di far sviluppare opportunamente le cellule per ottenere organi o tessuti in laboratorio.
È importante anche distinguere tra idrogel artificiali e idrogel naturali. Gli idrogel naturali sono quelli derivati da polimeri naturalmente presenti in natura, come la cellulosa o il collagene. Esempi di idrogel naturali sono le gelatine o l’agar, ma anche materiali come gli alginati; mentre idrogel artificiali sono per esempio il pNIPAAM (poli-N-isopropilacrilammide), il PVA (alcool polivinilico) o il PVP (polivinilpirrolidone). In generale gli idrogel non sintetici hanno il vantaggio di essere naturalmente biocompatibili e di richiedere condizioni di sintesi più blande, ma quelli sintetici sono generalmente più economici e permettono un controllo molto maggiore sul processo di preparazione e sulle caratteristiche finali del materiale, sebbene non è detto che siano sempre biocompatibili.
Nel prossimo articolo approfondiremo ulteriormente questo argomento per capire come è possibile modificare la struttura chimica degli idrogel per renderli stimuli-responsive, cioè per fare in modo che le loro proprietà cambino in risposta a degli stimoli esterni.

 

Otto Wichterle (1913-1998)

Otto Wichterle (1913-1998)

Lenti a contatto

Il primo utilizzo degli idrogel come biomateriali è stato riportato dal chimico cecoslovacco Wichterle, insieme al collega Lim, in un articolo pubblicato su Nature nel 19603. In questo lavoro i due scienziati riportavano come un idrogel basato sul poli-2-idrossimetilmetacrilato (PHEMA) potesse essere utilizzato per lenti a contatto morbide usa e getta. I vantaggi di un idrogel in una applicazione di questo tipo sono molteplici: sono elastici, biocompatibili, mantengono la naturale umidità dell’occhio e permettono la diffusione dell’ossigeno dall’esterno. Quest’ultimo aspetto è di grandissima importanza per il comfort del paziente poiché la cornea, cioè la membrana trasparente che costituisce la porzione anteriore più esterna dell’occhio, non è vascolarizzata e dipende esclusivamente dall’interazione con l’ambiente esterno per essere ossigenata. La diffusione dell’ossigeno tramite il gel dipende da due diversi fattori: il contenuto d’acqua e lo spessore. I gas infatti si diffondono attraverso l’acqua, di conseguenza maggiore l’EWC maggiore è la quantità d’ossigeno che può diffondere; allo stesso tempo, minore è lo spessore della lente più facile è questo trasporto. Di conseguenza è necessario un materiale che abbia le giuste caratteristiche meccaniche, che sia otticamente trasparente, che non dia problemi di rifrazione, che sia facilmente ottenibile nella forma desiderata e che la mantenga con precisione, che abbia un elevato contenuto d’acqua e che sia facilmente lavorabile anche con spessori minimi. Devono inoltre mantenere costantemente un film umido sull’occhio, aderire perfettamente ed essere facilmente sterilizzabili.
Lenti a contatto rigide, prima di vetro e poi di materiali polimerici come la PMMA, erano già in uso da molte decine di anni. Tuttavia queste lenti avevano l’enorme svantaggio di non essere permeabili all’ossigeno, rendendole scomode se non in certi casi pericolose. Oggi esistono dei materiali che hanno permesso di superare questo problema, ma le lenti rigide hanno ancora lo svantaggio di essere più scomode e di richiedere un tempo di adattamento maggiore, sebbene siano in generale molto più durevoli di quelle morbide.
Le prime lenti morbide basate sul lavoro di Wichterle e Lim vennero distribuite nel 1962, ma la prima versione che ebbe un vero successo commerciale arrivò solo nel 1971, quando le lenti ricevettero anche l’approvazione ufficiale dalla FDA. Nei successivi vent’anni la composizione delle lenti rimase praticamente immutata, fatta eccezione per qualche modifica minore. La vera rivoluzione si ebbe nella seconda metà degli anni ’90, quando vennero introdotte le prime lenti a contatto siliconiche da Lai e Quinn. Oggi le lenti a contatto basate su questi idrogel siliconici la fanno da padrone sul mercato, per via non solo delle eccellenti proprietà meccaniche e biologiche e della permeabilità ai gas, ma anche per la loro comodità e per la rapidità con la quale sono accettate come confortevoli dall’indossatore. Un problema legato a questo tipo di lenti è che possono assorbire piccole quantità di proteine o batteri, rendendole opache, problema che è stato parzialmente risolto grazie all’aggiunta di molecole apposite, come il BHT (idrossitoluene butilato). Numerosi studi sono in corso per rendere possibile la somministrazione controllata di farmaci per mezzo delle lenti a contatto. Sono già stati ottenuti risultati molto promettenti, sebbene ancora sia necessaria molta ricerca prima che il loro utilizzo clinico diventi abituale.

 

Utilizzo nelle medicazioni

Una applicazione che potrebbe in un prossimo futuro portare sollievo a moltissimi pazienti è l’utilizzo di idrogel per la cura di ferite e lesioni croniche. Questo tipo di lesione comporta infatti non solo un trattamento medico costante, che già di per sé non è sicuramente piacevole per il paziente, ma anche numerose operazioni di pulizia della ferita che possono essere estremamente dolorose. Oggi uno dei sistemi più utilizzati è la copertura della ferita con garze sterili, che hanno il vantaggio di essere molto economiche e facilmente disponibili ovunque. Le garze inoltre possono essere facilmente impregnate con medicinali e altre molecole bioattive, specialmente per renderle antibatteriche e più adatte a evitare infezioni o per facilitare la formazione di nuovi tessuti. Tuttavia necessitano di essere cambiate frequentemente e questo processo, portando alla rimozione meccanica anche del nuovo strato epiteliale appena formato, rallenta la guarigione sensibilmente ed è una tortura per la persona ferita. Questo tema diventa particolarmente importante quando parliamo dei grandi ustionati, in cui il danno da curare può coinvolgere anche il 70-80% del corpo e in molti casi è fatale.

Immagine al SEM di un idrogel. Si nota la struttura porosa, con pori di dimensioni pari a circa 70-80 nm

Immagine al SEM di un idrogel. Si nota la struttura porosa, con pori di dimensioni pari a circa 70-80 nm

La guarigione di una ferita è legata direttamente ad una serie di fattori. Bisognerebbe fare in modo di preservare la ferita umida, evitandone il disseccamento, ma è necessario al contempo rimuovere pus ed essudati; è necessario evitare l’insorgenza di infezioni e quindi bloccare lo sviluppo di batteri; bisogna mantenere i tessuti ben ossigenati e areati ed infine bisogna fare in modo che la rimozione della medicazione sia la più delicata possibile. Allo stesso tempo è necessario che questa medicazione sia economica, disponibile e facilmente adattabile ai vari tipi di ferita. È necessario cioè che la medicazione sia il più possibile personalizzata in relazione al paziente, al tipo di danno e a tutte le condizioni al contorno.
Gli idrogel in questo senso presentano numerose caratteristiche utili, che infatti hanno portato a dei risultati straordinari alcuni dei quali già utilizzati in ospedale. Normalmente infatti favoriscono la rimozione chirurgica del tessuto morto (debridement), permettono di assorbire gli essudati prodotti inglobandoli del network del gel, insieme ai batteri, permettono l’ossigenazione della ferita con lo stesso metodo visto per le lenti a contatto e sono generalmente poco adesivi, e quindi più facili da rimuovere, ma allo stesso tempo permettono di mantenere la ferita ben umida accelerandone così la guarigione.
Nella maggior parte dei casi, questi idrogel sono costituiti da polimeri naturali, come la pectina o la carbossicellulosa, che vengono applicati sotto forma di “pomate” che formano uno strato limpido e viscoso sopra la ferita. In questo modo la medicazione si adatta perfettamente ai bordi della ferita e rende possibile anche l’osservazione diretta del processo di guarigione, permettendo di intervenire immediatamente in caso di problemi. Altre formulazioni comprendono invece dei fogli di idrogel che vengono applicati sulla ferita per proteggerla dalle contaminazioni esterne.
È di qualche settimana fa (luglio 2016) la pubblicazione di un articolo su Angewandte Chemie, una delle più prestigiose riviste scientifiche a indirizzo chimico, in cui dei ricercatori dell’Università di Boston riportano lo sviluppo e i primi test su modello animale di un idrogel che si può formare direttamente sulle ferite provocate da gravi ustioni, per poi essere facilmente “lavato via” al momento del bisogno. Il gel si forma per mescolamento in loco di due componenti, un derivato della lisina (un amminoacido) e un cross-linker idrofilo. L’idrogel si forma senza bisogno di alcun altro reagente, è perfettamente biocompatibile ed è stato dimostrato che protegge efficacemente la ferita dalle infezioni. La sua rimozione è completamente indolore, in quanto avviene grazie ad una soluzione di cisteina (un altro amminoacido) che viene applicata sull’idrogel permettendone il disfacimento e quindi una facile rimozione, senza ulteriori traumi per l’ustionato. Si tratta di studi ancora preliminari e che richiederanno anni prima di essere disponibili davvero in tutti gli ospedali, ma sono una prova delle grandi opportunità che offrono questi materiali.

 

Conclusioni

Questo breve articolo ci ha permesso di iniziare a comprendere quanto sia vasto e interessante il mondo degli idrogel e quanto siano promettenti le loro applicazioni future. Giocando opportunamente con la loro composizione e le loro proprietà è infatti possibile ottenere materiali con caratteristiche completamente diverse, come nel caso delle lenti a contatto e dei materiali per ottenere medicamenti intelligenti. Nell’articolo successivo approfondiremo ulteriormente l’argomento e vedremo che è possibile ottenere materiali che possono cambiare stato fisico, colore e dimensioni in risposta a determinati stimoli, che possono rilasciare farmaci o dissolversi a comando, che possono aiutarci in specialità molto diverse della medicina, dalla chirurgia vascolare e quella gastrica, e che possono anche essere un aiuto per risolvere importanti problemi sociali.

 
Bibliografia

  1.   E. Calò, V. V. Khutoryanskiy, European Polymer Journal, 65 (2015), 252-267
  2.   A. S. Hoffman, Adv. Drug Deliv. Rev., 64 (2012), 18-23
  3.   O. Wichterle, D. Lim, Nature, 185 (1960), 117-118

 

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