Sviluppo e caratterizzazione di hydrogel a base di alcool polivinilico per la riparazione della cartilagine articolare

La riparazione della cartilagine articolare è particolarmente impegnativa dal punto di vista clinico-chirurgico ed attualmente rappresenta una sfida nel campo dell'ingegneria tissutale. La cartilagine, infatti, presenta una scarsa capacità auto-riparativa essendo un tessuto con poche cellule, a-vascolare ed a-neurale. Una delle principali cause dello sviluppo di malattie infiammatorie croniche degenerative articolari (artrite) è il danno cartilagineo. Si stima che l’osteoartrite, ovvero la forma più comune di artrite, sia presente in oltre il 25% della popolazione mondiale adulta. Tra i vari biomateriali utilizzati per la riparazione della cartilagine articolare spiccano gli hydrogel a base di alcool polivinilico. Questi biomateriali sono molto promettenti grazie alla loro elevata biocompatibilità, alle proprietà meccaniche facilmente modificabili, al basso coefficiente di attrito ed alla capacità di assorbire quantità elevate di acqua. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di hydrogel a base di alcool polivinilico in diverse concentrazioni, al fine di ottimizzarne le proprietà meccaniche per la riparazione della cartilagine articolare. Le principali condizioni di carico a cui si trova soggetta la cartilagine articolare, ed eventuali biomateriali sostitutivi in vivo, comportano sollecitazioni di compressione in ambiente altamente idratato e coinvolgono fenomeni di attrito e usura. Al fine di caratterizzare il comportamento meccanico degli hydrogel e sviluppare un modello poro-viscoelastico, sono state eseguite delle prove di trazione, di rilassamento delle tensioni, di compressione e consolidamento, per confrontare hydrogel con diverse concentrazioni di alcool polivinilico. Inoltre, è stato messo a punto un innovativo sistema di prova per la caratterizzazione delle proprietà tribologiche degli hydrogel. Da questo lavoro è emerso che, sebbene gli hydrogel a base di alcool polivinilico non presentino una porosità ottimale per l’utilizzo come scaffold nell’ingegneria tissutale, dimostrano delle adeguate proprietà meccaniche e possono, dunque, essere considerati dei materiali mimetici della cartilagine articolare nativa. All’aumentare del contenuto di alcool polivinilico gli hydrogel dimostrano una maggiore rugosità superficiale, oltre che a delle caratteristiche meccaniche, in termini di rigidezza del materiale, più affini a quelle della cartilagine articolare nativa. L’hydrogel con un contenuto pari al 25% in peso di alcool polivinilico presenta un modulo elastico secante istantaneo a trazione pari a 2.75 kPa, un modulo elastico secante istantaneo a compressione pari a 653 kPa ed un modulo elastico secante a lungo termine di compressione pari a 257 kPa. Il valore del modulo elastico a trazione è inferiore rispetto a quelli trovati in letteratura per la cartilagine articolare [5 ÷ 25 MPa], mentre i valori a compressione sono superiori a quelli presenti in letteratura [0.20 ÷ 5.41 MPa]. Per quanto riguarda, invece, le prove di attrito eseguite con un innovativo tribometro, è stato valutato un coefficiente di attrito pari a 0.381 ± 0.021 (media ± deviazione standard) che rientra nei tipici valori della cartilagine articolare nativa (0.08 ÷ 0.25). Gli sviluppi futuri di questa attività permetteranno di migliorare la biocompatibilità e la porosità di tali materiali, ad esempio aggiungendo alla soluzione acquosa degli hydrogel degli agenti ossidanti o degli agenti porogeni; ulteriori lavori futuri dovrebbero perfezionare il tribo-reometro e al fine di mirare ad approfondire le nuove intuizioni rivelate. In particolare, una migliore comprensione della natura e del meccanismo del processo alla base del basso attrito degli hydrogel a diverse concentrazioni di alcool polivinilico porterebbe ad un migliore caratterizzazione meccanica degli hydrogel stessi.