Gelatina funzionalizzata su misura – prodotta con risultati riproducibili

La gelatina non serve solo a tenere insieme orsetti gommosi, budini alla crema e capsule molli. Grazie alla sua capacità di formare pellicole senza giunture e meccanicamente stabili, questo biopolimero è molto richiesto anche per rivestimenti, ad esempio su tessuti, carta o pellicole fotografiche, dove la gelatina funge da veicolo per pigmenti e sostanze chimiche. Questa proteina naturale è inoltre altamente biocompatibile, il che la rende adatta ad applicazioni nel settore cosmetico e medico, ad esempio come vettore di principi attivi e coloranti o come medicazione gonfiabile per le ferite.

Tuttavia, è spesso necessario adattare in modo specifico le proprietà del materiale, ad esempio per l’impiego nella biostampa 3D. A causa del suo comportamento di gelificazione dipendente dalla temperatura, la gelatina è fluida solo a temperature elevate, ma perde la sua stabilità dimensionale in condizioni fisiologiche. In tali casi, l’Istituto Fraunhofer per l’Ingegneria Interfacciale e la Biotecnologia (IGB) ottimizza le proprietà della gelatina per soddisfare requisiti specifici mediante reazioni di modifica chimica.

«Per l’impiego nella bio-stampa, modifichiamo la gelatina in modo tale da poter regolare in modo specifico sia le proprietà del bio-inchiostro sia la stabilità strutturale dopo la stampa», spiega il dott. Achim Weber, responsabile della Divisione Biofabbricazione e Sviluppo dei Materiali presso il Fraunhofer IGB. Oltre ai punti di gelificazione e di fusione – e quindi al comportamento di gelificazione – anche la viscosità, la solubilità e la carica del biopolimero possono essere adattate all’applicazione specifica.

Una cassetta degli attrezzi per la funzionalizzazione su misura

Nel contesto della biostampa, i ricercatori utilizzano tipicamente l’anidride metacrilica per rendere la gelatina reticolabile. «La gelatina metacrilata combina la biocompatibilità della gelatina con la capacità di polimerizzare sotto la luce UV», spiega Melanie Dettling, che esegue e monitora le modifiche chimiche in laboratorio. Non appena la gelatina modificata viene esposta alla luce UV – con l’ausilio di un fotoiniziatore – dopo il processo di stampa, si reticola formando un idrogel solido. In questo caso, il materiale imita la matrice extracellulare (ECM) dell’organismo e, fungendo da impalcatura strutturale, favorisce l’adesione, la crescita e la differenziazione delle cellule, consentendo la formazione di nuovo tessuto.

La gelatina modificata in questo modo è stata utilizzata nel progetto UE TriAnkle, insieme al collagene e al collagene modificato. In questo contesto, i biomateriali hanno funzionato come sistema di somministrazione personalizzato per cellule e fattori di crescita. Studi preclinici condotti con impianti su misura per difetti dell’articolazione della caviglia hanno dimostrato un miglioramento significativo della rigenerazione del tessuto tendineo e cartilagineo, una riduzione delle risposte infiammatorie e una guarigione accelerata.

A seconda dell’applicazione prevista, anche altre funzionalizzazioni possono consentire di ottenere i risultati desiderati. «Ad esempio, introduciamo gruppi tiolici nei biopolimeri per consentire la reticolazione tramite le cosiddette reazioni “click”», spiega Dettling. La reticolazione può quindi avvenire in vari modi: fotochimicamente tramite radiazione UV, termicamente o tramite reazioni chimiche.

Grazie al loro sistema modulare flessibile, i ricercatori sono stati anche in grado di aumentare la carica positiva della gelatina. In un test rapido point-of-care, tali idrogel di gelatina cationizzati sono stati utilizzati con successo per incorporare componenti chiave della reazione e immobilizzare le molecole bersaglio caricate negativamente.

Processo automatizzato e standardizzato per proprietà del materiale costanti

Per testare le proprietà del materiale ottimizzato, i partner del mondo della ricerca e dell’industria necessitano solitamente di quantità maggiori di biopolimeri funzionalizzati. Per consentire una produzione scalabile e riproducibile di gelatina funzionalizzata, il team di sviluppo dei materiali del Fraunhofer IGB ha ora messo a punto nuovi processi in sistemi di reattori automatizzati.

Nei reattori automatizzati, tutti i parametri di processo rilevanti vengono sistematicamente registrati e regolati secondo una procedura operativa standard (SOP) appositamente definita – dalla temperatura e dall’afflusso, ad esempio, di anidride metacrilica, al valore del pH e alla quantità di soluzione di idrossido di sodio aggiunta. Dettling è riuscito a dimostrare che il grado di metacrilazione della gelatina ottenuto nel reattore da 1 litro è linearmente proporzionale all’eccesso di anidride metacrilica nella soluzione di alimentazione – un risultato che non era stato possibile dimostrare in questo modo durante la produzione manuale in beuta.

«Nel nostro reattore da 1 litro, ora siamo in grado di produrre in modo riproducibile 100 grammi di gelatina modificata con una qualità assolutamente costante», afferma Dettling. Il chimico applicato sta attualmente trasferendo il controllo di processo standardizzato a reattori con volumi di 5 e 10 litri per dimostrare che le proprietà del materiale rimangono riproducibili anche con un ulteriore aumento di scala. In un singolo lotto è quindi possibile produrre fino a un chilogrammo di gelatina funzionalizzata.

Funzionalizzazioni comparabili su quantità campione

Il controllo automatizzato del processo consente di eseguire diverse funzionalizzazioni chimiche in condizioni di processo standardizzate, permettendo così di confrontare direttamente tra loro gli effetti delle modifiche.

«Ora possiamo attribuire chiaramente le differenze nelle proprietà dei materiali alla rispettiva modifica chimica ed escludere la possibilità che siano dovute a condizioni di produzione variabili», spiega Dettling. I materiali prodotti vengono messi a disposizione di aziende e partner di ricerca per il campionamento. Questi partner possono testare le proprietà dei materiali, valutare le applicazioni o condurre studi di fattibilità per lo sviluppo dei propri prodotti senza dover istituire propri processi di sviluppo o di scale-up.

Ampia gamma di applicazioni per i polimeri bio-derivati funzionalizzati

«La gelatina modificata è adatta come idrogel, come materiale vettore o come componente strutturante in sistemi biomedici o prodotti per la cura della persona, nonché per materiali funzionali e rivestimenti che richiedono interazioni specifiche, proprietà barriera o proprietà adesive», ha affermato Weber. Ciò include anche sistemi di test in vitro e piattaforme diagnostiche microfluidiche che richiedono materiali definiti e producibili in modo riproducibile con proprietà superficiali o del materiale controllate.

I concetti di processo utilizzati presso il Fraunhofer IGB non si limitano alla gelatina. Anzi, le proprietà dei materiali di altri polimeri a base biologica – quali collagene, chitosano, inulina e acido ialuronico – possono essere specificamente adattate grazie alla loro buona modificabilità chimica, sia per l’incapsulamento finalizzato al rilascio controllato, sia per applicazioni di rivestimento.