Ceramiche Ossee dal Futuro: Idrossiapatite e β-TCP Porose con un Trucco Sol-Gel Super Veloce!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e scoperte! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi sta particolarmente a cuore e che, credetemi, potrebbe davvero fare la differenza nel campo della rigenerazione ossea. Immaginate di poter creare materiali che il nostro corpo non solo accetta, ma che aiutano attivamente le ossa a ricrescere. Sembra fantascienza? Beh, siamo sulla buona strada!

Un Problema Osseo, Una Soluzione Innovativa

Partiamo da un dato di fatto: i difetti ossei, causati da traumi, malformazioni o malattie, sono un bel problema. Possono limitare la nostra capacità di muoverci, di vivere appieno, e avere anche un impatto psicologico non da poco. Le soluzioni attuali, come i trapianti di osso o gli impianti, hanno i loro limiti. Ed è qui che entra in gioco l’ingegneria tissutale ossea, con la promessa di sviluppare scaffold (impalcature, per intenderci) porosi e riassorbibili fatti di materiali osteobiologici.

Tra questi, le ceramiche bioattive sono le mie preferite, in particolare quelle a base di fosfato di calcio (CaP). Perché? Semplice: sono composte dagli stessi minerali delle nostre ossa! Questo le rende biocompatibili, osteoconduttive (guidano la crescita ossea) e persino osteoinduttive (stimolano la formazione di nuovo osso). Pensate che attirano proteine e fattori di crescita come calamite, spingendo le cellule a fare il loro lavoro.

Le due “star” di questa famiglia sono l’idrossiapatite (HAp), la forma più stabile e biocompatibile, e il β-tricalcio fosfato (β-TCP). L’HAp, in particolare, è un vero campione nel legarsi ai tessuti e promuovere la crescita cellulare. Ma c’è un “ma”: per funzionare al meglio, questi materiali devono essere porosi. Pori di dimensioni adeguate (tra 50 e 200 μm, ma anche più piccoli hanno il loro perché) sono cruciali per permettere alle cellule di ancorarsi, proliferare, e per favorire la vascolarizzazione.

Il Segreto? Un Sol-Gel… Rapidissimo!

Produrre HAp porosa non è una novità assoluta, ma i metodi tradizionali, come il sol-gel classico, richiedono tempi di “maturazione” lunghissimi, anche settimane! E qui, amici, casca l’asino… o meglio, si accende la lampadina! Nel nostro lavoro, ci siamo concentrati sulla sintesi di HAp con un metodo sol-gel rapidissimo, che riduce i tempi a sole 2 ore, senza bisogno di lunghe attese. Parliamo di un processo da 50 a 200 volte più veloce dei precedenti! Una vera e propria rivoluzione, credetemi!

Abbiamo confrontato due tipi di sali precursori per il calcio: acetato di calcio e, per la prima volta con questo metodo rapido, nitrato di calcio. L’obiettivo? Ottenere bioceramiche con diverse porosità. E come abbiamo indotto questi pori? Con un aiutino chimico: il perossido di idrogeno (H2O2), la comune acqua ossigenata, usata come agente porogeno. Ne abbiamo aggiunto in diverse percentuali (3%, 5% e 10% in peso) alle nostre polveri di HAp.

Questione di Precursori e… Bollicine! (H2O2)

Una volta preparate queste paste viscose, le abbiamo modellate in semisfere e poi via, in forno! Le abbiamo “cotte” (tecnicamente si dice calcinate) a due temperature: 400 °C e 700 °C. Perché queste temperature? Per vedere come si comportavano i diversi precursori e quali fasi cristalline si formavano.

I risultati sono stati affascinanti. A 400 °C, l’HAp era l’unica fase di fosfato di calcio presente in tutti i campioni. Tuttavia, c’erano delle differenze:

• I campioni derivati dall’acetato di calcio (li abbiamo chiamati Ac3, Ac5, Ac10 a seconda della % di H2O2) erano meno cristallini e, dettaglio curioso, avevano un colore grigiastro. Questo perché a 400 °C l’acetato non si decompone completamente, lasciando un po’ di carbonio residuo.
• I campioni dal nitrato di calcio (Nit3, Nit5, Nit10) erano molto più cristallini, probabilmente grazie alla combustione esotermica dei nitrati che aiuta la cristallizzazione. Qui, però, abbiamo notato una piccola sorpresa: la presenza di calcite (CaCO3) come fase secondaria, soprattutto nei campioni con più H2O2. Sembra che il nitrato di calcio, essendo un forte ossidante, reagisca con il CO2 dell’aria, e l’H2O2 accentui questo effetto.

Passando a 700 °C, la musica è cambiata. Tutti i campioni, sia da acetato che da nitrato, mostravano una miscela di due fasi: HAp e β-TCP. Interessante, no? La HAp meno cristallina formata inizialmente sembra favorire la sua trasformazione in β-TCP già a questa temperatura relativamente bassa. E indovinate un po’? Il carbonio residuo nei campioni Ac e la calcite nei campioni Nit erano spariti, completamente bruciati o trasformati!

La quantità di β-TCP variava con la percentuale di H2O2 aggiunta, ma non in modo lineare. Con il 3% di H2O2, l’HAp era la fase dominante. Con il 5%, il β-TCP sembrava essere il protagonista (circa 60:40 β-TCP:HAp). Con il 10%, l’HAp tornava a essere la fase principale (circa 40:60 β-TCP:HAp). Sembra che il β-TCP sia più solubile in H2O2 rispetto all’HAp, e una quantità maggiore di H2O2 possa parzialmente dissolvere il β-TCP e farlo ricristallizzare come HAp. Davvero un equilibrio delicato!

Dentro la Materia: Microstruttura e Superfici Porose da Record

Ma come apparivano questi materiali al microscopio? L’osservazione ottica ha rivelato superfici molto irregolari, con pori e cavità di varie dimensioni, alcuni anche di diverse centinaia di micron – perfetti per le nostre cellule! E, come previsto, più H2O2 aggiungevamo, più pori vedevamo.

Al microscopio elettronico a scansione (SEM), abbiamo potuto apprezzare i dettagli più fini. I campioni Ac a 400 °C mostravano una rete di particelle piatte, poco cristalline, coperte da aghetti e piastrine nanometriche. A 700 °C, queste strutture si trasformavano in particelle più grandi e arrotondate. I campioni Nit, invece, erano già più cristallini a 400 °C, con una microstruttura più densa e compatta, sempre composta da nanoparticelle. A 700 °C, anche qui le particelle crescevano, ma senza una vera e propria sinterizzazione (densificazione).

E la superficie specifica (SSA)? Qui abbiamo avuto delle sorprese, soprattutto con il campione Ac10 (acetato, 10% H2O2) trattato a 400 °C. Ha mostrato una SSA elevatissima: 232.33 m²/g! Questo valore incredibile è dovuto al carbonio residuo mesoporoso, noto per avere un’alta area superficiale. Pensate che questo materiale potrebbe essere ottimo anche come adsorbente per inquinanti! Gli altri campioni avevano SSA più contenute ma comunque significative, dovute principalmente a mesoporosità (pori tra 2 e 50 nm). Ad esempio, Nit10 a 400°C aveva una SSA di circa 49.78 m²/g, e Ac10 a 700°C (senza più carbonio) scendeva a 21.80 m²/g. Questi risultati ci dicono che la SSA è dovuta quasi interamente alla mesoporosità, e che la struttura dei pori non cambia drasticamente tra 400°C e 700°C, anche se il numero di pori può diminuire.

Il Test del Nove: Bioattività in Fluido Corporeo Simulato (SBF)

Ok, belli da vedere, ma funzionano? Per scoprirlo, abbiamo immerso i nostri campioni in un fluido corporeo simulato (SBF), una soluzione che mima la composizione dei fluidi del nostro corpo. Ebbene, tutti i campioni hanno mostrato una notevole bioattività! Già dopo 1 giorno, sulla loro superficie si era cristallizzata nuova HAp, sotto forma di sottili aghi o piastrine.

Dopo 3 giorni:

• Le ceramiche con solo HAp (Ac e Nit a 400 °C) formavano cristalli più simili a piastre.
• La presenza di CaCO3 (nei campioni Nit a 400 °C) sembrava favorire la formazione di piastre più grandi e numerose.
• La coesistenza di β-TCP in quantità significative (nei campioni Ac e Nit a 700 °C) portava alla formazione di splendide strutture “a fiore”, aggregati di aghi submicrometrici. Un vero spettacolo della natura a livello microscopico!

Questo significa che i nostri materiali sono pronti a interagire positivamente con l’ambiente biologico.

Cellule al Lavoro: Biocompatibilità e Citotossicità

Ultimo, ma non meno importante, il test di biocompatibilità. Abbiamo usato la linea cellulare MG63 (osteoblasti, le cellule che costruiscono l’osso) e il saggio MTT, che misura l’attività metabolica delle cellule (più sono attive, più sono vitali e felici). In generale, se la vitalità cellulare scende sotto il 70%, il materiale è considerato citotossico.

Tenetevi forte, perché i risultati sono stati a dir poco sorprendenti. Quasi tutti i nostri campioni erano biocompatibili, con vitalità cellulare superiore al 70%! Le uniche eccezioni sono state Ac5 e Ac10 trattati a 400 °C, probabilmente a causa del carbonio residuo.
Ma la vera notizia bomba è che alcuni campioni non solo erano biocompatibili, ma promuovevano attivamente la proliferazione cellulare! In particolare:

• Nit3 (nitrato, 3% H2O2) trattato a 400 °C: vitalità cellulare del 110%!
• Nit3 (nitrato, 3% H2O2) trattato a 700 °C: vitalità cellulare del 139%!
• Ac3 (acetato, 3% H2O2) trattato a 700 °C: vitalità cellulare del 127%!

Questi sono numeri fantastici! Sembra che una fase dominante di HAp (come in Nit3 e Ac3) offra una migliore citocompatibilità rispetto a una miscela più equilibrata HAp/β-TCP. La composizione di fase (presenza di carbonio o β-TCP) sembra quindi essere il fattore più importante per la biocompatibilità di queste ceramiche, più della microstruttura stessa, nonostante i pori indotti fossero di dimensioni ideali.

Tiriamo le Somme: Una Svolta per le Bioceramiche?

Cosa ci portiamo a casa da questa avventura scientifica? Siamo riusciti a produrre bioceramiche di idrossiapatite e β-tricalcio fosfato utilizzando un processo sol-gel incredibilmente rapido, introducendo per la prima volta una porosità controllata con H2O2. Questi materiali non solo hanno la giusta struttura porosa per accogliere le cellule ossee, ma sono anche altamente bioattivi e, in molti casi, eccezionalmente biocompatibili, promuovendo addirittura la crescita cellulare.

È la prima volta che si ottengono ceramiche a base di HAp con porosità indotta derivate da un processo sol-gel così rapido. Certo, siamo solo all’inizio. Il prossimo passo? Utilizzare queste polveri ceramiche per stampare in 3D degli scaffold, delle vere e proprie impalcature tridimensionali, per vedere come l’agente porogeno influisce su una struttura rigida.

L’idea di poter contribuire a sviluppare materiali che un giorno potrebbero aiutare le persone a guarire meglio e più in fretta è ciò che mi spinge ogni giorno. E i risultati come questi mi danno una carica pazzesca! Spero di avervi trasmesso un po’ del mio entusiasmo per questa frontiera della scienza dei materiali. Alla prossima!

Fonte: Springer