Negli ultimi anni, i progressi nella scienza dei biomateriali hanno permesso di sviluppare nuove soluzioni che offrono una maggiore efficacia rispetto a quelle esistenti. Tra i team di ricerca di Milano-Bicocca che sono attivi anche su questo versante c’è l’IndBioTech Lab del Dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze. Con Paola Branduardi, professoressa di Chimica delle fermentazioni e biotecnologie industriali, e Stefano Bertacchi, assegnista di ricerca, abbiamo esplorato alcune delle tendenze più promettenti nel campo dei biomateriali e come questi potrebbero cambiare il futuro della medicina e dei principali settori industriali.
Professoressa Branduardi, ci può spiegare cos'è un biomateriale e come si differenzia da un materiale tradizionale?
Branduardi: “I biomateriali possono essere principalmente definiti come materiali compatibili con il corpo umano, applicati quindi nel settore medico. Ricadono all’interno di questa categoria, per esempio, le protesi in fibra di carbonio o titanio, ma anche impianti dentali, valvole cardiache e volendo anche organi stampati in 3D. In altri contesti un biomateriale viene definito come un materiale derivante da materiale organico, principalmente biomasse vegetali, come la canna da zucchero, il mais o il legno. Quindi rientrano all’interno il cotone e la carta, ma anche altri materiali più innovativi, come alcune bioplastiche compostabili.
Alla luce di queste definizioni di fatto l’umanità usa biomateriali da molto tempo, dalle protesi di legno sino ai tessuti, con modifiche più o meno profonde rispetto al materiale vegetale di partenza. La prima plastica sul mercato – la celluloide – è ottenuta mediante la modificazione chimica della cellulosa: tradizione e innovazione si fondono nel mondo dei biomateriali.
Con l'evolversi della scienza e della tecnologia, i biomateriali hanno iniziato ad essere sempre più utilizzati in ambiti medicali, in particolare dopo la Seconda guerra mondiale, con la necessità di sviluppare nuove tecnologie per riparare i danni causati dalle ferite di guerra. In seguito, con lo sviluppo di nuovi materiali, tecniche di produzione, e la comprensione dei meccanismi di interazione tra i materiali e i tessuti biologici, l'utilizzo dei biomateriali si è espanso in molteplici campi, dall'ortopedia, alla cardiologia, alla neurologia, sino all’ingegneria tissutale.”
Quali sono alcuni esempi di biomateriali comunemente utilizzati oggi?
Branduardi: “Se ci limitiamo ai biomateriali derivanti da biomasse, sicuramente le bioplastiche sono materiali molto interessanti, con applicazioni che spaziano dagli imballaggi alimentari ai famosi mattoncini da costruzione, passando per i noti sacchetti compostabili per l’umido.”
Dottor Bertacchi, quali sono i vantaggi dell'utilizzo dei biomateriali rispetto ai materiali sintetici?
Bertacchi: “Un vantaggio dei biomateriali applicati al corpo umano è la possibilità di sviluppare oggetti sempre più leggeri, come nel caso delle protesi, e sempre più compatibili con organi e tessuti umani, riducendo i danni da rigetto. I biomateriali derivanti da biomasse sfruttano invece una risorsa rinnovabile quali le piante appunto, che crescono ciclicamente grazie all’energia gratuita del Sole e la fissazione dell’anidride carbonica. L’idea è di ridurre la nostra dipendenza dalle risorse fossili come il petrolio, e i ben noti problemi che derivano dal loro utilizzo. Per esempio, è possibile sostituire i monomeri che costituiscono le plastiche convenzionali petrolchimiche con molecole identiche ma costruite a partire da materiale vegetale. In tal senso, non tutte le bioplastiche sono biodegradabili o compostabili: vi sono alcuni esempi in cui le due caratteristiche coincidono, come per l’acido polilattico (PLA) usato per tante applicazioni, dai fili per la stampa 3D ai punti di sutura chirurgici."
Quali sono le sfide e le tendenze più importanti nell'utilizzo dei biomateriali?
Bertacchi: “Una sfida comune è il loro costo. I biomateriali sono spesso più costosi da produrre rispetto ai materiali sintetici, il che può rendere difficile la loro diffusione su larga scala. Inoltre, alcuni biomateriali potrebbero avere proprietà diverse rispetto ai materiali sintetici, il che potrebbe rendere difficile l'utilizzo in alcune applicazioni. Tuttavia, con il progredire della tecnologia e l'aumento della domanda, si prevede che i costi dei biomateriali diminuiranno nel tempo e potrà essere possibile una progettazione più precisa. In aggiunta, la riduzione dell’uso di biomasse alimentari per la produzione di questi biomateriali è una sfida necessaria da affrontare, per questioni di sostenibilità ambientale, economica e sociale. In questo contesto i microrganismi (geneticamente modificati o meno) possono esserci utili per produrre le molecole fondamentali per la sintesi di biomateriali, trasformando materie prime che altrimenti sarebbero sottoprodotti (spesso proprio scarti) di altri settori.
Per l’aspetto medicale invece stiamo assistendo ad un crescente interesse per i biomateriali che possono essere utilizzati per la rigenerazione dei tessuti. Infine, l'uso dell'intelligenza artificiale e dell'elaborazione dei dati sta diventando sempre più importante nella progettazione e nello sviluppo di nuovi biomateriali. L'IA può aiutare a simulare come i materiali si comporteranno nel corpo umano e a identificare quelli che hanno maggiori possibilità di successo. Inoltre, l'elaborazione dei dati può aiutare a monitorare l'efficacia dei biomateriali utilizzati in un determinato trattamento, consentendo una valutazione continua e più efficace”.
