Microaghi guidati dall’intelligenza artificiale si piegano alla temperatura corporea per accelerare la guarigione delle ulcere diabetiche.

Le ferite croniche rappresentano ancora una sfida importante per il sistema sanitario, soprattutto per le persone con diabete, che spesso presentano una guarigione ritardata, un’infiammazione persistente e un rischio maggiore di infezione. I metodi tradizionali di chiusura delle ferite, come suture, punti metallici e adesivi, possono contribuire ad avvicinare i lembi della ferita, ma non stimolano attivamente il processo di guarigione dell’organismo.

Gli scienziati stanno quindi esplorando biomateriali in grado di adattarsi agli ambienti biologici, favorendo al contempo la riparazione dei tessuti e prevenendo le infezioni.

Dal comportamento delle piante alla progettazione degli appezzamenti.

Il professore associato Hyun-Do Jung dell’Università di Hanyang e il suo team, con sede in Corea, hanno sviluppato un cerotto a microaghi guidato dall’intelligenza artificiale (IA) che cambia attivamente forma a temperatura fisiologica (37 °C) per favorire la chiusura delle ferite, offrendo al contempo terapia rigenerativa e protezione antibatterica.

Lo studio combina intelligenza artificiale, stampa 4D, biomimetica, nanotecnologia del DNA e ingegneria delle superfici in un’unica piattaforma per la guarigione delle ferite. L’articolo è stato pubblicato su Advanced Materials .

Lo studio si è ispirato alla Drosera capensis, una pianta carnivora che cattura le prede attraverso movimenti coordinati, adesione e meccanismi di protezione. Basandosi su queste caratteristiche, i ricercatori hanno progettato un sistema di microaghi a memoria di forma in grado di piegarsi attivamente dopo essere stato inserito nei tessuti.

I microaghi sono stati realizzati utilizzando la stampa 4D, che consente alle strutture di cambiare forma in risposta agli stimoli ambientali.

L’intelligenza artificiale ha ristretto la finestra di fabbricazione

Il team ha utilizzato modelli di apprendimento automatico per prevedere e ottimizzare il comportamento di recupero della forma dei materiali stampati, riducendo la necessità di estese sperimentazioni per tentativi ed errori.

Analizzando l’influenza della composizione del materiale e delle condizioni di produzione sulle prestazioni, i ricercatori hanno individuato una finestra di fabbricazione ottimale che bilancia la stabilità meccanica con il rapido recupero della forma. Tra gli approcci di apprendimento automatico valutati, la regressione del processo gaussiano ha fornito le previsioni più accurate e le stime di incertezza più affidabili.

“Questo studio va oltre la biomimetica convenzionale, utilizzando l’intelligenza artificiale per tradurre i principi ispirati alla natura in un dispositivo biomedico funzionale. Il punto chiave di questa ricerca non è solo che si ispira alla natura, ma che l’IA aiuta a convertire l’ispirazione biologica in una tecnologia per la guarigione delle ferite prevedibile, programmabile e clinicamente rilevante”, ha affermato il Dott. Jung.

Supporto alla guarigione con protezione antibatterica

Esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che i microaghi recuperavano rapidamente la loro forma curva programmata alla temperatura corporea, contribuendo alla chiusura delle ferite e al mantenimento di un contatto stabile con i tessuti. La piattaforma incorporava inoltre nanoparticelle di DNA adesive progettate per favorire la rigenerazione tissutale e una superficie trattata con zinco che forniva protezione antibatterica.

I test hanno dimostrato un rilascio prolungato di DNA, risposte favorevoli da parte delle cellule endoteliali e dei fibroblasti coinvolti nella guarigione delle ferite e una forte attività antibatterica sia contro Escherichia coli che contro Staphylococcus aureus.

Negli esperimenti preclinici sulla guarigione delle ferite, il sistema integrato ha accelerato la chiusura delle ferite e migliorato la rigenerazione dei tessuti rispetto agli approcci convenzionali.

Potenziali applicazioni che vanno oltre la semplice chiusura della ferita.

“Oltre alla guarigione delle ferite, la strategia di stampa 4D guidata dall’intelligenza artificiale potrebbe essere estesa anche ai robot biomedici morbidi o ai dispositivi di interfaccia con i tessuti che richiedono movimento programmabile, trasformazione controllata della forma e contatto stabile con i tessuti biologici”, ha affermato Jung.

Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche prima dell’uso clinico, la tecnologia potrebbe essere adattata per la realizzazione di cerotti, impianti, scaffold e stent intelligenti per la cura delle ferite, in grado di reagire all’ambiente corporeo. A lungo termine, potrebbe favorire lo sviluppo di biomateriali intelligenti che migliorino la guarigione e riducano le complicanze.

Abstract

L’intelligenza artificiale (IA) integrata con la progettazione bioispirata consente lo sviluppo di materiali che si adattano e rispondono dinamicamente agli stimoli biologici. In questo studio, è stata sviluppata una piattaforma di microaghi termoresponsivi (MN) ispirata alla Drosera capensis , integrando movimento, superficie e mimetismo funzionale attraverso la stampa 4D guidata dall’IA. I polimeri a memoria di forma (SMP) composti da acrilato di tert-butile (tBA) e diacrilato di 1,6-esandiolo (HDDA) sono stati progettati per mostrare un recupero reversibile della forma in seguito a stimolazione termica. Il complesso comportamento a memoria di forma è stato modellato quantitativamente utilizzando molteplici algoritmi di apprendimento automatico (ML), tra cui la regressione del vettore di supporto (SVR), l’extreme gradient boosting (XGB) e la regressione del processo gaussiano (GPR). Tra questi, la GPR ha dimostrato una precisione predittiva superiore ( R ² > 0,99) e ha fornito medie predittive e intervalli di confidenza al 95%, evidenziando la sua affidabilità nella modellazione del comportamento di recupero termico non lineare e il suo potenziale per guidare l’ottimizzazione dei parametri di processo. I MN risultanti hanno mostrato movimenti di avvolgimento e presa simili a quelli della Drosera capensis , consentendo la chiusura autoattiva della ferita. Inoltre, i MN sono stati funzionalizzati con DNA adesivo (aDNA) e nanostrati di Zn tramite impianto ionico a immersione al plasma basato su sputtering (S-PIII). I nanostrati di Zn hanno facilitato il rilascio sostenuto del DNA e hanno conferito ai MN un’attività antibatterica intrinseca. Nei modelli di ferite diabetiche, il sistema di MN biomimetici ottimizzati dall’IA (BMMN) ha migliorato significativamente la rigenerazione epiteliale, il rimodellamento del collagene e la neovascolarizzazione, dimostrando materiali adattivi e intelligenti per la guarigione delle ferite.

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