Un biomateriale generatore di ossigeno (OGB) è un materiale progettato per produrre, immagazzinare e rilasciare ossigeno all'interno di ambienti biologici. Tali materiali vengono studiati ed investigati per varie applicazioni in campo biomedicale, tra cui l'ingegneria tissutale, la medicina rigenerativa e gli impianti.
L'ossigeno svolge un ruolo chiave all'interno del corpo umano ed è essenziale per il metabolismo e la funzionalità cellulare. In condizioni fisiologiche viene trasportato a tutti i tessuti e organi attraverso il sistema circolatorio. Se la disponibilità di ossigeno è insufficiente, si sviluppa una condizione nota come ipossia che può comportare un apporto limitato di nutrienti e un eccessivo accumulo di sostanze di scarto, portando a compromissione della funzionalità, necrosi cellulare e apoptosi.
In questo contesto, i biomateriali che generano ossigeno possono fornire un apporto localizzato di ossigeno e compensare la scarsa disponibilità di ossigeno. Attualmente, la ricerca scientifica sta investigando diversi approcci per raggiungere questi obiettivi.
Meccanismi di apporto di ossigeno I metodi di generazione di ossigeno possono fornire ossigeno seguendo diversi meccanismi. Questi meccanismi includono composti che rilasciano ossigeno, come perossidi inorganici e sistemi a base di perossido di idrogeno, nonché materiali che trasportano ossigeno, come perfluorocarburi e trasportatori a base di emoglobina.
Materiali che rilasciano ossigeno I materiali che rilasciano ossigeno più comuni comprendono perossidi solidi inorganici e sistemi a base di perossido di idrogeno, che rilasciano ossigeno anziché semplicemente fornirlo.
Perossidi solidi inorganici I perossidi solidi inorganici sono una famiglia di composti che comprende il perossido di calcio (CaO2), perossido di magnesio (MgO2) e percarbonato di sodio (2 Na2CO3 . 3 H2O2 ). In ambienti acquosi questi materiali subiscono dissoluzione idrolitica.
Una dissociazione iniziale porta alla formazione di perossido di idrogeno:
CaO2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2O2
A questa reazione segue la decomposizione del perossido di idrogeno in ossigeno:
2H2O2 -> O2 + 2H2O
I perossidi inorganici solidi presentano una diversa solubilità in acqua: Perossido Solubilità in acqua Perossido di calcio a Perossido di magnesio a percarbonato di sodio a
I diversi perossidi inorganici presentano caratteristiche di solubilità e decomposizione distinte, che influenzano i loro profili di rilascio di ossigeno.
Il percarbonato di sodio è altamente solubile in acqua e facilita il rilascio immediato di ossigeno, mentre il perossido di calcio e il perossido di magnesio sono meno solubili. Tra questi materiali, il perossido di calcio è il composto più ampiamente studiato nel ccampo dei biomateriali che generano ossigeno grazie al suo favorevole profilo di sicurezza.
Sistemi a base di perossido di idrogeno I sistemi basati sul perossido di idrogeno utilizzano il perossido di idrogeno (H2O2) come fonte diretta di ossigeno. Negli ambienti acquosi, H2O2 si decompone in acqua e ossigeno molecolare secondo la seguente reazione:
2H2O2 -> O2 + 2H2O
Questo processo può avvenire spontaneamente oppure essere accelerato da catalizzatori ed enzimi (ad esempio catalasi). Sono stati studiati approcci basati sul perossido di idrogeno per fornire un apporto localizzato di ossigeno in applicazioni biomediche.
Materiali che trasportano ossigeno
Perfluorocarburi I perfluorocarburi (PFC) sono idrocarburi che contengono fluoro al posto degli atomi di idrogeno. Sono chimicamente inerti, biocompatibili e hanno una bassa polarizzabilità. I PFC sono in grado di immagazzinare e rilasciare ossigeno in base alle esigenze metaboliche e ai livelli di saturazione dell'ossigeno. Ciò avviene attraverso l'intreccio fisico delle molecole di ossigeno tramite forze di van der Waals, causato da un coefficiente di solubilità dell'ossigeno significativamente più elevato che è linearmente correlato alla pressione parziale di O2nell'ambiente.
Trasportatori di ossigeno a base di emoglobina I trasportatori di ossigeno a base di emoglobina vengono investigati perché l'emoglobina è il principale trasportatore naturale di O2 all'interno del corpo umano. Tuttavia, non può essere utilizzata indipendentemente a causa della sua tendenza a frammentarsi in dimeri e monomeri al di fuori degli eritrociti (globuli rossi), causando tossicità. Per sopperire a questa problematica, sono state introdotte diverse alternative sintetiche agli eritrociti, che mimano il trasporto naturale di ossigeno degli eritrociti.
Sfide e limitazioni Negli ambienti biologici, se la disponibilità di ossigeno è insufficiente, non è possibile ottenere ottimali sopravvivenza e funzionalità cellulare. In questo contesto, i biomateriali che generano ossigeno possono fornire ossigeno, affrontando i problemi legati all'ipossia e supportando la vitalità, il metabolismo e la funzione cellulare. Una delle principali sfide nello sviluppo di biomateriali che generano ossigeno è ottenere un rilascio di ossigeno controllato e sostenuto in questi ambienti biologici. Infatti, la principale limitazione associata ai materiali che generano ossigeno è il rilascio iniziale "a scoppio" di O2, che può risultare dannoso per le cellule. Se una grande quantità di ossigeno viene rilasciata bruscamente e troppo rapidamente, può portare a stress ossidativo locale. Un'evoluzione rapida e incontrollata dell'ossigeno può in definitiva causare citotossicità. Di conseguenza, la quantità e la velocità di rilascio dell'ossigeno sono fattori cruciali per un uso sicuro ed efficace. Per questo motivo, la ricerca scientifica si sta concentrando su diverse piattaforme di biomateriali al fine di controllare e modulare il rilascio di ossigeno nelle applicazioni biomediche.
Piattaforme e applicazioni di biomateriali L'utilizzo di materiali che rilasciano e trasportano ossigeno può essere ottenuto attraverso diverse strategie. La selezione dei biomateriali e gli approcci per incorporarli hanno un'importante influenza sulla cinetica di rilascio dell'ossigeno e di conseguenza sulla funzionalità dei materiali stessi. Nel complesso, l'applicazione di biomateriali che generano ossigeno dipende dalla piattaforma scelta e dal profilo di rilascio di ossigeno che ne deriva, in quanto questi fattori influenzano la loro idoneità per specifiche sfide biomediche.
Idrogel
Gli idrogel sono reti tridimensionali con un elevato contenuto di acqua e una struttura morbida. Grazie alle loro caratteristiche strutturali e alle proprietà regolabili, rappresentano candidati idonei per incapsulare agenti terapeutici, come i materiali che generano ossigeno. Gli idrogel comprendono materiali sia naturali (ad esempio alginato, gelatina, collagene, acido ialuronico) che sintetici (ad esempio polietilenglicole). La loro somministrazione minimamente invasiva e la loro capacità di imitare la matrice extracellulare hanno contribuito ad un ampio utilizzo in applicazioni biomediche. Gli idrogel sono utilizzati come matrici per l'incorporazione di composti che rilasciano ossigeno e di trasportatori di ossigeno. L'elevato contenuto di acqua e la permeabilità di questi materiali facilitano il trasporto di ossigeno all'interno del materiale. Gli idrogel che generano ossigeno sono stati studiati per applicazioni nella guarigione delle ferite, nell'ingegneria tissutale e anche per facilitare l'angiogenesi.
Scaffold Gli scaffold sono strutture tridimensionali specificamente progettate per fornire supporto strutturale e meccanico per l'adesione, la proliferazione e la crescita delle cellule, con lo scopo di mimare le proprietà della matrice extracellulare . Sono tipicamente fabbricati con diversi biomateriali, tra cui polimeri, ceramiche o sistemi compositi, utilizzando varie tecniche come electrospinning, freez-drying, solvent casting and particulate leaching e la stampa 3D. La porosità interconnessa di queste strutture è una caratteristica fondamentale che facilita la diffusione di nutrienti, prodotti di scarto e molecole di segnalazione. Gli scaffold possono quindi incorporare materiali che generano ossigeno per fornire ossigeno e mantenere la disponibilità locale di ossigeno al fine di migliorare la vitalità cellulare, supportare l'angiogenesi e ridurre le condizioni ipossiche. Di conseguenza, sono ampiamente studiati nelle applicazioni di ingegneria tissutale e medicina rigenerativa, in particolare per la riparazione di ossa, cartilagine e pelle.
Film
I film sono sottili strutture di biomateriali tipicamente realizzate a partire da polimeri, sia naturali, come chitosano o collagene, sia sintetici, come il policaprolattone (PCL) e il poli(acido lattico-co-glicolico) (PLGA). Sono ampiamente utilizzati in diverse applicazioni biomediche grazie alla loro facilità di produzione, versatilità e capacità di adattarsi a differenti strutture, superfici e geometrie. Pertanto, in base alle loro proprietà, composizione e design, possono svolgere funzioni diverse. I film possono incorporare materiali generatori di ossigeno all’interno della loro matrice. L’integrità strutturale di questi materiali può facilitare e controllare la diffusione dell’ossigeno. I film generatori di ossigeno sono stati esplorati per diverse applicazioni biomediche, tra cui medicazioni per ferite, conservazione dei tessuti e dispositivi impiantabili.
Microsfere e nanoparticelle Le microsfere e nanoparticelle sono biomateriali particellari di dimensioni variabili, rispettivamente dalla scala micrometrica a quella nanometrica. Sono progettate per incorporare agenti specifici, consentendo il loro rilascio controllato nell'area bersaglio. Possono essere sintetizzate utilizzando diversi materiali, come polimeri biodegradabili, lipidi o composti inorganici, sviluppando una varietà di materiali particellari a rilascio di ossigeno. Infatti, grazie al loro elevato rapporto superficie-volume e alla reattività regolabile, questi sistemi sono particolarmente efficaci per l'incapsulamento di materiali che generano ossigeno, consentendo una cinetica di rilascio controllata e una somministrazione mirata. I materiali particellari a rilascio di ossigeno su micro/nano scala possiedono anche il vantaggio di essere iniettabili o incorporati in strutture più grandi, come idrogel, scaffold o film. Pertanto, questi sistemi sono oggetto di studio per la loro capacità di fornire ossigeno, ridurre l'ipossia e migliorare la rigenerazione dei tessuti.
Sistemi compositi I sistemi compositi si riferiscono alla combinazione di due o più piattaforme di biomateriali all'interno di un unico costrutto. Questi sistemi ibridi di generazione di ossigeno sono creati per combinare le proprietà e i vantaggi di diversi biomateriali. Possono quindi integrare combinazioni di idrogel, scaffold, film, microsfere e nanoparticelle per ottenere molteplici funzioni insieme alla fornitura di ossigeno. Esempi di tali materiali includono idrogel caricati con perossido, scaffold rinforzati con microsfere e film multistrato di generazione di ossigeno.
Note
Voci correlate Biomateriale Ingegneria biomedica Ossigenoterapia Specie reattive all'ossigeno Ingegneria tissutale
Collegamenti esterni
Categoria:Ingegneria biomedica