L’integrazione di nanoparticelle magnetiche all’interno della fibroina costituisce una strategia avanzata per la progettazione di biomateriali funzionali capaci di rispondere a stimoli esterni e di svolgere simultaneamente funzioni terapeutiche e diagnostiche. Questo paradigma, noto come approccio theranostico, consente la combinazione di rilascio controllato di farmaci e monitoraggio non invasivo tramite tecniche di imaging, in particolare la risonanza magnetica. La fibroina, grazie alla sua struttura molecolare altamente organizzata e alla possibilità di modulare le sue proprietà tramite trattamenti fisico-chimici, rappresenta una piattaforma estremamente versatile per l’incorporazione di nanofiller magnetici senza compromettere le caratteristiche di biocompatibilità e biodegradabilità. L’interesse per la fibroina magneto-responsiva deriva dalla possibilità di creare scaffold e sistemi di veicolazione intelligenti, in grado di essere guidati, attivati o modulati da campi magnetici esterni, aprendo la strada a terapie localizzate e personalizzate.
Funzionalizzazione magnetica
La funzionalizzazione magnetica della fibroina si ottiene principalmente mediante l’incorporazione di nanoparticelle superparamagnetiche di ossido di ferro, quali magnetite (Fe?O?) e maghemite (γ-Fe?O?). Queste nanoparticelle possono essere integrate nella matrice proteica tramite diverse strategie, tra cui blending in soluzione, mineralizzazione in situ, elettrofilatura magnetica, casting di film e stampa 3D bio-compatibile. La scelta del metodo influisce sulla distribuzione delle nanoparticelle, sulla cristallinità della fibroina e sulle proprietà meccaniche e magnetiche del composito finale.
A livello molecolare, le nanoparticelle interagiscono con la fibroina attraverso legami elettrostatici, coordinazione con residui amminoacidici contenenti gruppi carbossilici e amminici, oppure tramite confinamento fisico nelle regioni amorfe della proteina. Queste interazioni possono modulare la transizione conformazionale della fibroina da struttura random coil a β-sheet, influenzando rigidità, stabilità idrolitica e degradazione enzimatica del biomateriale. Inoltre, il grado di carico magnetico può essere regolato per ottenere un equilibrio tra risposta magnetica e proprietà biologiche ottimali.
Proprietà e comportamento stimolo-responsivo
L’incorporazione di nanoparticelle magnetiche conferisce alla fibroina proprietà magneto-meccaniche uniche, rendendo il materiale sensibile a campi magnetici statici o alternati. In presenza di un campo magnetico, le nanoparticelle possono indurre deformazioni locali della matrice, orientamento delle fibre elettrofilate o generazione di calore tramite ipertermia magnetica. Questi fenomeni permettono di controllare dinamicamente la struttura dello scaffold, la porosità e la diffusione dei soluti.
Dal punto di vista meccanico, la presenza di nanoparticelle può aumentare il modulo elastico e la resistenza alla trazione, agendo come rinforzo nanostrutturale. Tuttavia, un’eccessiva concentrazione può portare ad aggregazione e fragilità del materiale, rendendo cruciale l’ottimizzazione della dispersione e della funzionalizzazione superficiale delle nanoparticelle. Le proprietà magnetiche possono essere caratterizzate mediante magnetometria a vibrazione (VSM) o SQUID, mentre le proprietà meccaniche tramite test di trazione, compressione e nanoindentazione.
Scaffold magneto-controllabili per il rilascio farmacologico
La fibroina magneto-responsiva risulta ad oggi essere una piattaforma molto promettente per sistemi avanzati di drug delivery. Gli scaffold magnetici possono essere caricati con molecole terapeutiche, come farmaci antitumorali, antibiotici, proteine o acidi nucleici, e guidati verso siti specifici mediante campi magnetici esterni. Questo approccio consente un targeting fisico non invasivo, riducendo la dispersione sistemica del farmaco e aumentando la concentrazione locale nel tessuto bersaglio.
In più, l’applicazione di campi magnetici alternati può indurre ipertermia localizzata, favorendo il rilascio controllato del farmaco e potenziando l’effetto terapeutico, ad esempio nella chemioterapia combinata con ipertermia magnetica. La cinetica di rilascio può essere modulata attraverso la struttura porosa dello scaffold, il grado di cristallinità della fibroina e la funzionalizzazione superficiale delle nanoparticelle, permettendo un controllo fine su profili di rilascio a breve e lungo termine.
Imaging diagnostico e sistemi theranostici integrati
Le nanoparticelle magnetiche incorporate nella fibroina fungono anche da agenti di contrasto per la risonanza magnetica (MRI), migliorando la visualizzazione dei tessuti e la tracciabilità degli scaffold impiantati. La loro presenza altera i tempi di rilassamento T? e T? dei protoni dell’acqua, consentendo il monitoraggio non invasivo della distribuzione del biomateriale e del carico farmacologico nel tempo. Questo approccio permette la realizzazione di sistemi theranostici integrati, in cui diagnosi e terapia sono combinate in un’unica piattaforma biomateriale. Tali sistemi consentono di monitorare in tempo reale la risposta del tessuto, la degradazione dello scaffold e l’efficacia del trattamento, facilitando strategie di medicina di precisione e personalizzazione terapeutica.
La combinazione poi di questa proteina con un’altra eccellenza derivante dalla seta come la sericina consente di ottenere biomateriali multicomponente con proprietà sinergiche. La sericina, caratterizzata da un’elevata densità di gruppi funzionali idrofili, può migliorare l’idratazione, l’adesione cellulare e la bioattività superficiale dello scaffold magnetico. Inoltre, la sericina può fungere da matrice per il carico di biomolecole sensibili, mentre la fibroina fornisce supporto strutturale e stabilità meccanica. Scaffold ternari fibroina–sericina–nanoparticelle magnetiche possono essere progettati per applicazioni in ingegneria tissutale ossea, cartilaginea e cutanea, nonché per la veicolazione di fattori di crescita e cellule. La presenza di sericina può anche modulare la risposta immunitaria e favorire processi di rigenerazione, rendendo questi sistemi particolarmente interessanti per applicazioni in medicina rigenerativa avanzata.
Caratterizzazione biologica e interazione con i tessuti
La valutazione biologica della fibroina magneto-responsiva richiede studi approfonditi di citocompatibilità, adesione e proliferazione cellulare, nonché analisi di differenziazione in modelli cellulari specifici. Le nanoparticelle magnetiche, opportunamente funzionalizzate, mostrano generalmente buona biocompatibilità, mentre la fibroina e la sericina supportano la crescita cellulare e l’interazione con la matrice extracellulare. La risposta cellulare può essere modulata tramite stimoli magnetici, ad esempio inducendo allineamento cellulare su fibre magneticamente orientate o stimolazione meccanica remota, aprendo nuove possibilità per la biostimolazione e l’ingegneria dei tessuti dinamici. Inoltre, studi in vivo possono valutare la biodistribuzione, la degradazione e l’integrazione tissutale degli scaffold magnetici, fornendo informazioni cruciali per applicazioni cliniche.
