Germi mortali con fasci di elettroni
I dispositivi medici, gli imballaggi e il cibo possono essere sterilizzati in modo sicuro ed efficiente usando i fasci di elettroni. In futuro, i ricercatori del Fraunhofer vogliono anche utilizzare gli elettroni accelerati per rimuovere i germi dai trapianti di tessuto e anche cambiare le proprietà del materiale biologico.
Gli aghi medici, le siringhe monouso e i tubi per la dialisi, ma anche gli imballaggi farmaceutici devono essere privi di germi. La sterilizzazione a fascio di elettroni è un metodo provato per uccidere batteri, virus, funghi, spore e simili. Questo viene fatto da elettroni accelerati ad alta energia che penetrano nel materiale. I ricercatori del Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP di Dresda usano con successo questo metodo, per esempio, per liberare i semi dai parassiti. In pochi millisecondi, il DNA dei parassiti viene distrutto, disabilitando così la loro capacità di riprodursi (vedi link sotto). Ora gli scienziati stanno trasferendo la loro esperienza a nuove aree di applicazione: stanno studiando le possibilità della tecnologia a fascio elettronico non termico per sterilizzare e modificare i tessuti biologici. Questo apre nuove opzioni di trattamento in campo medico.
Vantaggio: il tessuto non si riscalda
"Trattiamo campioni di tessuto sotto pressione atmosferica e a temperature inferiori ai 40 gradi Celsius con elettroni che vengono accelerati solo quanto basta per penetrare il materiale. Questo si chiama trattamento con fascio di elettroni a bassa energia", spiega il Dr. Jessy Schönfelder, capo del gruppo Applicazioni Mediche alla FEP. I vantaggi di questo metodo, che è delicato sul materiale, sono che il tessuto non si riscalda, le cellule rimangono intatte - la profondità di azione può essere regolata e quindi solo lo strato superficiale esterno può essere sterilizzato. Con REAMODE (Reactive Modification with Electrons), gli scienziati della FEP utilizzano una struttura di ricerca che può essere adattata a un'ampia varietà di applicazioni della tecnologia del fascio di elettroni a bassa energia. Parametri come la profondità di penetrazione e l'intensità possono essere determinati in modo specifico.
Reticolazione dei tessuti con elettroni accelerati
Usando gli elettroni accelerati, i ricercatori possono anche influenzare specificamente le proprietà dei materiali e provocare cambiamenti nei tessuti. Per i loro esperimenti, hanno scelto il pericardio di maiale come modello biologico. I medici usano questo tessuto come sostituzione biologica della valvola cardiaca. Tuttavia, gli impianti durano al massimo 15 anni. Il motivo: la glutaraldeide chimica usata per la necessaria reticolazione del tessuto causa anche la calcificazione degli impianti biologici a medio termine. "Gli elettroni accelerati sono un'alternativa interessante in questo caso, grazie alla loro proprietà di scindere i legami chimici e di permettere la reticolazione", spiega Schönfelder. Nei loro esperimenti, la ricercatrice e il suo team sono stati in grado di dimostrare la reticolazione delle molecole di collagene, cioè delle catene proteiche.
Per provare la compatibilità cellulare della sterilizzazione a fascio di elettroni, i ricercatori hanno seminato colture cellulari su diversi campioni. Solo una piccola parte di cellule è cresciuta sul tessuto trattato con la glutaraldeide tossica. Sulla controparte modificata dal fascio di elettroni, d'altra parte, un numero significativamente maggiore di cellule è cresciuto ed è stato in grado di proliferare. In confronto, anche meno cellule si sono insediate sui campioni non trattati rispetto a quelli trattati con l'elettrone.
Le funzioni cellulari sono preservate
Anche i test con protesi vascolari biologiche - per i quali gli esperti hanno usato aorte da modelli animali - hanno avuto successo. "Nei pazienti con malattie dei vasi sanguigni, la sostituzione dei vasi con protesi sintetiche fatte di polimeri è inevitabile. Questi sono limitati a diametri di sei millimetri o più a causa del rischio di trombosi. Gli impianti biologici devono essere utilizzati per vasi di diametro inferiore a sei millimetri", ha detto Schönfelder. Un problema è la loro sterilizzazione. Il muscolo e le cellule endoteliali negli strati interni dei vasi sanguigni non devono essere danneggiati. Poiché i ricercatori possono usare la loro attrezzatura per determinare la profondità di penetrazione ottimale degli elettroni nella parete del vaso e sterilizzare solo lo strato esterno dell'aorta, le cellule mantengono la loro funzionalità. La profondità di penetrazione nei test è stata di 23 micrometri, cioè all'interno dello strato più esterno del tessuto connettivo. "Con una dose di radiazioni di 22 kilogray (kGy), le funzioni vascolari non erano interessate. Allo stesso tempo, i batteri applicati al campione sono stati uccisi in modo sicuro e in pochi secondi", conferma il chimico. La bassa energia di accelerazione permette un design compatto dei dispositivi per il trattamento degli elettroni. A causa dell'alta velocità di trattamento simultaneo, il metodo è predestinato all'uso in una banca di tessuti o in sala operatoria. Ora gli esperti vogliono ottimizzare il processo e, nella fase successiva, costruire un dispositivo di sterilizzazione adatto al metodo.
Fonte: Fraunhofer FEP
