Viscoelasticità dei tessuti soffici

Viscoelasticità dei tessuti soffici
Assunta Borzacchiello, Luigi Nicolais
tessuti soffici (quali corpo vitreo, tessuti mucosi, derma, liquido sinoviale)
sono materiali multicomponenti organizzati in una struttura ordinata gerarchicamente dalla scala nanometrica a quella
macrometrica, che sovrintende alle proprietà e di conseguenza alle molteplici
funzioni a cui essi assolvono. Essi possono
essere schematizzati come sistemi di
fibrille insolubili (proteine collageniche) e
polimeri solubili (proteoglicani e glicosamminoglicani) che svolgono funzioni
strutturali e meccaniche primarie quali
quelle di assorbire gli shock meccanici e
quindi di proteggere i tessuti circostanti
da traumi e di mantenere la forma degli
organi [1]. I tessuti soffici sono in grado di
svolgere queste importanti funzioni grazie a specifiche proprietà reologiche
ovvero grazie alle loro proprietà viscoelastiche.
Le proprietà viscoelastiche del muco
regolano, ad esempio, l’efficienza del meccanismo di eliminazione muco-ciliare.
Nella maggior parte delle malattie ostruttive che coinvolgono l’apparato respiratorio, infatti, vi è un una drastica modificazione ovvero un aumento delle proprietà
viscoelastiche dei muchi e molte strategie
terapeutiche mirano alla riduzione e
quindi ad un ripristino delle proprietà
viscoelastiche del muco in condizioni
fisiologiche. Anche il liquido sinoviale che
riempie le cavità diartoidali dell’uomo e
dei mammiferi è capace di svolgere le sue
funzioni biomeccaniche di trasmissione
dei carichi, lubrificazione e protezione
I
della cartilagine articolare grazie al suo
comportamento viscoelastico. Quando
l’articolazione si flette lentamente, e cioè
a basse velocità di deformazione (condizione di riposo o passeggiata) il liquido
sinoviale si comporta come un fluido
viscoso ossia come un lubrificante. Al
contrario, ad alte velocità di deformazione, ad esempio durante una corsa, si
comporta come un solido elastico in
grado quindi di assorbire gli shock meccanici e trasferire i carichi. In condizioni
patologiche, il liquido sinoviale perde
queste proprietà viscoelastiche, si comporta sempre come un fluido viscoso e
non è più in grado, quindi, di proteggere i
tessuti articolari da danni meccanici
durante i movimenti veloci.
Per modulare e specializzare le funzioni biomeccaniche e conseguentemente le
proprietà viscoelastiche dei tessuti soffici
la natura regola ed ottimizza la loro struttura, ad esempio attraverso la modulazione delle proprietà biochimiche della loro
componente macromolecolare.
Attraverso lo studio delle proprietà
reologiche è quindi possibile stabilire una
relazione tra struttura-funzione-proprietà
dei tessuti soffici. La comprensione di
questa relazione può essere di ausilio nell’ingegnerizzazione di sostituti capaci di
coadiuvare o di sostituire le funzioni dei
tessuti soffici. [2] In questo articolo saranno discusse le proprietà viscoelastiche del
corpo vitreo animale ed in particolare
l’effetto della specie e del genere, con lo
scopo di analizzare l’influenza della strutc
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tura sulle proprietà viscoelastiche di questo tessuto.
Il corpo vitreo
Il corpo vitreo, vitreo o umore vitreo, è
un tessuto connettivo trasparente che
riempie la cavità posteriore degli occhi
dei vertebrati; è situato tra il cristallino e
la retina ed occupa un volume di circa 4
ml, che è pari ai 3/4 dell’intero occhio
(figura1). Il vitreo è costituito quasi interamente da acqua (circa 97%) e da tre
componenti macromolecolari principali:
collagene, acido ialuronico (HA) e proteoglicani (PG). Dal punto di vista strutturale il corpo vitreo può considerarsi
come un composito naturale formato da
una matrice viscoelastica di macromolecole di acido ialuronico altamente idratate rinforzata rigide fibrille di collagene
(con un diametro di 10 nm) (figura 2) [3,
4]. Questa struttura consente al corpo
vitreo di essere trasparente e di mantenere la forma del globo oculare. Da un
Fig. 1 – Bulbo oculare.
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punto di vista biomeccanico il vitreo
mostra un comportamento viscoelastico
che gli consente di resistere a improvvisi
sforzi di compressione e sollecitazioni
meccaniche (vibrazioni, traumi diretti ed
indiretti, movimenti oculari rotatori) in
maniera tale da proteggere la retina e i
tessuti circostanti [5].
Si ritiene che tra i suoi costituenti sia
il reticolo di acido ialuronico ad essere
responsabile delle proprietà viscoelastiche del vitreo. Ciò è supportato dal fatto
che alcune importanti malattie oftalmiche, come la retinopatia diabetica proliferativa e il distacco della retina, sono strettamente collegate ad alterazioni dell’HA
[6, 7].
Per definire meglio, quindi, il ruolo
dell’HA nel controllo delle proprietà
viscoelastiche del corpo vitreo e per
capire come queste proprietà possono
essere correlate con la composizione
macromolecolare, in questo lavoro è
stato effettuato uno studio reologico e
Fig. 2 – Organizzazione del vitreo: 1) acido ialuronico, 2) fibrilla di collagene, 3) fibre di collagene, 4)
acqua.
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biochimico di vitrei animali. In particolare,
il comportamento reologico è stato studiato in funzione del genere e della specie dell’animale (maiale, pecora, capra e
coniglio). Questi risultati sono stati correlati ai cambiamenti della composizione
del vitreo dovuti alle variazioni di concentrazione e peso molecolare dell’ HA.
Materiali e metodi
I vitrei delle diverse specie animali sono
stati ottenute dal macello: maiale (età: 45 mesi), pecora (età: 1-2 mesi), capra
(età: 5 mesi) e coniglio (età: 5 mesi).
Subito dopo essere stati macellati, gli
occhi degli animali sono stati espiantati,
immersi in soluzione Ringer ed conservati a 4°C per un massimo di 2 giorni. Le
prove sono state completate in 30 minuti dopo aver separato accuratamente
sclera, cornea e retina dall’umor vitreo. Le
proprietà reologiche del vitreo sono
state valutate con un reometro rotazionale Bohlin VOR (Bohlin Reologi A B,
Lund, Svezia).
L’acido ialuronico è stato estratto dall’umor vitreo degli animali usando il
metodo di Bishop [8]. Il peso molecolare
medio viscosimetrico e la concentrazione
media dei campioni estratti di HA sono
stati misurati indirettamente usando elettroforesi su gel di agarosio [9].
L’elettroforesi ha fornito la distribuzione
del peso molecolare (comportamento
gaussiano) dei campioni di HA. L’indice di
polidispersione (ID) è stato determinato
valutando la metà dell’altezza/larghezza
delle curve di distribuzione (gaussiane).
Risultati e discussione
In figura 3 vengono riportati gli spettri
della risposta in frequenza dei moduli G’
e G’’ del corpo vitreo di coniglio, pecora
e maiale. In figura 4 sono invece riportate le medesime grandezze dei vitrei
caprini maschio e femmina. Dalle figure si
evince che nell’intervallo di frequenze
analizzate (0.05 – 10 Hz), il modulo elastico G’ è sempre maggiore del modulo
dissipativo G’’; non si notano variazioni
significative dei moduli con la frequenza.
Inoltre, il fattore di perdita (tanδ) per
tutte le specie animali studiate, alla frequenza di 1Hz, ha valori compresi tra
Fig. 3 – Spettro meccanico
del corpo vitreo di
diverse specie animali: coniglio, maiale, pecora.
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Fig. 4 – Spettro meccanico
del corpo vitreo
caprino maschio e
femmina.
0.15 e 0.5. Da questi risultati si evince che
il vitreo ha un comportamento reologico
tipico di un gel debole. Il valore dei
moduli dipende in maniera significativa
dalla specie, in particolare il modulo elastico assume valore 3.7 Pa nel caso di
coniglio, mentre è 130 Pa per il maschio
di capra. In generale il vitreo di capra
maschio ha proprietà che sono di circa
un ordine di grandezza superiori a quelle
delle altre specie animali ed inoltre sono
dipendenti dal genere. Per coniglio e
maiale, non si osserva tale dipendenza dal
genere. Giacché la più importante funzione biologica del vitreo consta nell’essere
capace di assorbire gli shock meccanici, i
dati succitati possono essere interpretati
ipotizzando che il vitreo è sottoposto a
differenti stati tensionali per le varie specie animali.
Si ritiene che sia l’HA il componente
che maggiormente regola le proprietà
reologiche del corpo vitreo. L’HA è, infatti, una macromolecola altamente idrofila
che possiede un elevato volume escluso,
il che si riflette in un alto valore del coefficiente d’attrito e di conseguenza in una
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elevata viscosità e modulo del vitreo.
Inoltre le molecole di HA ad alto peso
molecolare, così come i proteoglicani,
possono formare aggregati macromolecolari con comportamento da gel [10,
11]. Tuttavia, non è da trascurare il ruolo
delle fibre di collagene nelle proprietà
meccaniche dei tessuti soffici, ruolo
ampiamente descritto in letteratura [1].
Dai dati presentati sul comportamento
reologico di vitrei naturali, non risulta
possibile scindere il contributo dell’HA
da quello del collagene, giacché entrambi
i biopolimeri mostrano qualitativamente
lo stesso comportamento in vitro. Al fine
di comprendere più in dettaglio il ruolo
dell’HA nel corpo vitreo, sono stati
determinati concentrazione, peso molecolare e distribuzione del peso molecolare dell’HA nel vitreo di capra (maschio,
femmina adulti, e giovani) e di coniglio,
attraverso elettroforesi in gel di agarosio.
I risultati sono sintetizzati in tabella 1.
Le proprietà macromolecolari del
vitreo di animali adulti sono piuttosto
simili. Il peso molecolare per capra femmina adulta è 412 kDa mentre per coni-
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Tab. 1 – Peso molecolare (Mv), indice di polidispersività (ID) e concentrazione dell’acido ialuronico contenuto nei vitrei animali.
glio è 590 kDa. La concentrazione per
capra maschio e femmina è 0.7 e 0.5
mg/ml rispettivamente, mentre è 0.05
mg/ml per il coniglio.
Le proprietà reologiche dell’acido
ialuronico sono state ampiamente studiate [8]. Soluzioni di HA aventi peso molecolare e concentrazione paragonabili a
quelle trovate nei corpi vitrei si comportano come soluzioni viscose (G’’>G’).
Questi risultati portano a concludere che
il comportamento viscoelastico del
corpo vitreo non può essere ascritto al
solo acido ialuronico. Inoltre, le differenze
tra peso molecolare, distribuzione del
peso molecolare e concentrazioni non
possono da sole giustificare le differenze
che si riscontrano tra le proprietà reologiche di vitreo di capra maschio e quelle
delle altre specie animali. Questo è
confortato dall’osservazione che il vitreo
di capra giovane, pur possedendo acido
ialuronico di minor peso molecolare e
più bassa concentrazione, ha proprietà
meccaniche paragonabili a quelle di
vitreo capra femmina adulta. In conclusione il comportamento viscoelastico del
corpo vitreo non può essere attribuito
alla sola matrice di HA ma piuttosto alle
complesse interazioni tra acido ialuronico
e fibre di collagene.
Conclusioni
In questo lavoro è stato studiato il comportamento reologico del corpo vitreo
di diverse specie animali in funzione del
genere. Il vitreo animale possiede un
comportamento reologico tipico di un
gel debole. I moduli elastici dipendono
dalla specie, variando tra 3,7 Pa (coniglio)
e 130 Pa (maschio della capra); il genere,
tranne che per la capra, non ha influenza
sulle proprietà viscoelastiche.
Lo studio delle proprietà reologiche
dei vitrei animali insieme all’analisi biochimica di questi ultimi, ha permesso di concludere che il comportamento reologico
del vitreo non può essere attribuito alla
sola componente macromolecolare di
acido ialuronico ma più probabilmente
all’interazione fra l’acido ialuronico e il
network di collagene. Infatti, soluzioni di
HA di peso molecolare e concentrazione
paragonabili a quelle presenti nel corpo
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vitreo si comportano come liquido viscoso e non come gel debole.
L’analisi reologica è quindi un valido
strumento nello studio delle relazione
esistente tra il comportamento meccanico e la struttura dei tessuti soffici quali il
corpo vitreo, fornendo molte informazioni necessarie per la progettazione di
sostituti ottimali di tali tessuti.
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Choi an L.C. Rosenberg, Biopolymers,
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Assunta Borzacchiello
Istituto per i Materiali Compositi e Biomedici
CNR
P.le Tecchio, 80 – 80125 Napoli
[email protected]
Luigi Nicolais
Istituto per i Materiali Compositi e Biomedici
CNR
Dipartimento di Ingegneria dei Materiali
e della Produzione
Università degli Studi di Napoli “Federico II”
P.le Tecchio, 80 – 80125 Napoli
[email protected]
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