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La seta alla conquista delle biotecnologie

La seta è un polimero fibroso di natura proteica di origine animale largamente utilizzata nell’industria tessile per la produzione di articoli di qualità grazie alle sue eccellenti proprietà fisiche come resistenza, flessibilità e leggerezza. Attualmente sono in corso diversi studi per l’applicazione di questo materiale anche in diversi settori delle biotecnologie, soprattutto in campo biomedico con la realizzazione di protesi o membrane di supporto per la rigenerazione tissutale. L’obiettivo è sfruttare le straordinarie proprietà fisiche della seta oltre che la sua bassa tossicità e la sua natura anallergica con lo scopo di ottenere grandi vantaggi operativi e un minor impatto ecologico.

Introduzione

Circa il 90% delle fibre seriche commerciali utilizzate dall’industria tessile provengono dai bozzoli delle larve del baco da seta (Bombyx mori). Questo insetto appartenente all’ordine dei Lepidotteri e alla famiglia dei Bombicidi oggi non è più presente allo stato selvatico a causa dell’intenso allevamento plurisecolare che lo ha reso inetto a un’esistenza autonoma, imponendo quindi la presenza costante dell’uomo per la sua sopravvivenza. Il ciclo biologico del baco da seta è formato da quattro tappe: uovo, larva, crisalide e farfalla.

Dopo la schiusa delle uova comincia la fase larvale in cui i piccoli bruchi lunghi 1,5-2 mm iniziano a nutrirsi dei residui dell’uovo per poi cambiare la loro dieta con foglie di gelso somministrate dall’allevatore. La vita della larva è suddivisa in cinque età cui corrispondono quattro mute che hanno la funzione di sostituire la cuticola esterna in modo da permette l’aumento delle dimensioni e del peso.

Alla fine della quinta età larvale il baco che ha raggiunto una lunghezza di 6-8 cm cessa di alimentarsi e inizia la formazione del bozzolo con lo scopo di svuotare le ghiandole della seta e trasformarsi in crisalide. Il bozzolo è formato da un doppio filamento continuo (bava) del diametro di circa 10-20 µm che può raggiungere una lunghezza anche di 2000-2500 m.

Questa bava serica è composta da due bavelle di fibroina perfettamente lisce avvolte in una proteina gommosa detta sericina. Successivamente alla creazione del bozzolo la larva si trasforma in crisalide (pupa) in 13-15 giorni, che a sua volta diventerà farfalla (stadio adulto) (fig. 1) iniziando un nuovo ciclo riproduttivo[1].

Bombyx mori allo stadio adulto.
Figura 1. Bombyx mori allo stadio adulto.

L’allevamento del baco da seta è caratterizzato dall’impiego di poliibridi ottenuti da incroci di diverse razze che si riproducono una sola volta all’anno e hanno una ricchezza in seta compresa tra il 18 e il 20%. La produzione di bozzoli impone l’interruzione del normale ciclo biologico allo stadio di crisalide in modo da evitare il danneggiamento del bozzolo dovuto alla fuoriuscita della farfalla. Per questo motivo, dopo circa 10 giorni dall’inizio della filatura, i bozzoli sono raccolti, essiccati e conservati in ambienti arieggiati per favorire l’eliminazione dell’umidità in attesa di ulteriori lavorazioni[1].

La seta come biomateriale in campo biomedico

A differenza del settore dell’industria tessile, dove si ricerca un’elevata qualità del filato, in campo biomedico si utilizza una seta rigenerata ottenuta dal prodotto di scarto del processo di cardatura in cui avviene l’eliminazione delle impurità e dei corpi estranei. Questa seta “scartata” viene ricostituita attraverso l’eliminazione della sericina e la rigenerazione della fibroina in modo da ottenere gel, soluzioni, membrane, tessuti ecc.

Il progresso della tecnologia in campo biologico ha riacceso l’interesse per questo antico materiale potenzialmente utilizzabile in moltissimi settori. La seta è attualmente utilizzata come materiale da sutura in chirurgia per la produzione di garze protettive per il trattamento di ustioni e per la costruzione di protesi per la rigenerazione ossea. In tal senso, la Food and Drug Administration (FDA) ha approvato dispositivi medici di seta per suture e strutture di supporto che vengono utilizzate in chirurgia ricostruttiva.

Inoltre, recentemente, sono state fabbricate pellicole solide ultrasottili a idrogel nelle quali sono state incluse molecole farmacologiche o bioattive per il rilascio controllato di farmaci verso organi bersaglio. Anche nel campo dell’ingegneria tissutale la biocompatibilità e la lenta degradabilità della fibroina, unite ad una bassa immunogenicità, vengono sfruttate con lo scopo di costruire membrane “scaffold” (fig. 2) con elevate capacità di supporto e adesione per diversi tipi cellulari[2].

Scaffold lamellare di fibroina
Figura 2. Scaffold lamellare di fibroina

La fibroina per il trattamento di lesioni cutanee

Le medicazioni biomimetiche sono state introdotte recentemente come potenziali validi sostituti delle tradizionali garze di cellulosa per i trattamenti cutanei Questo principalmente perché contengono fattori di crescita e molecole di segnalazione che favoriscono l’interazione intercellulare migliorando quindi il processo di guarigione. Tra questi, la fibroina possiede caratteristiche biologiche eccezionali, come la capacità di generare agenti bioattivi nell’area della ferita, oltre a fornire un adeguato supporto per tutto il processo di guarigione[3].

La seta per il trattamento delle patologie oculari

L’utilizzo della fibroina della seta ha numerose applicazioni anche per quanto concerne i trattamenti per i disturbi agli occhi. In questo contesto, le malattie della cornea sono la causa più comune di cecità in tutto il mondo e il trapianto corneale rimane l’unico trattamento per ripristinare l’acuità visiva. Ciononostante, la carenza di cornee umane ha portato ad importanti sviluppi anche nel campo dell’ingegneria dei tessuti corneali. Questo ha permesso la fabbricazione di biofilm di seta sfruttabili come substrati ideali per la crescita di cellule corneali in modo da ricostruire la superficie oculare per tutti gli strati della cornea[4].

La sericina non più come prodotto di scarto

Studi recenti hanno dimostrato che anche la sericina può essere utilizzata in campo biomedico. Difatti, la composizione amminoacidica altamente idrofila e il potenziale antiossidante di questa proteina ne permettono l’utilizzo nell’industria alimentare e in cosmetica. Il potere idratante della sericina viene sfruttato per favorire la guarigione di ferite, stimolare la proliferazione cellulare, proteggere da radiazioni ultraviolette e per formulare creme.

A questo proposito, l’utilizzo della sericina come eccipiente nelle creme di bellezza favorisce l’idratazione e l’elasticità della pelle a causa della sua elevata componente amminoacidica (la serina) idrofila. Inoltre, l’attività antiossidante associata alla bassa digeribilità ne permettono l’utilizzo in farmacopea come agente antimicrobico, antinfiammatorio e anticoagulante che agisce direttamente sulla salute del colon. Per di più, la sericina è utilizzata come mezzo di coltura durante il processo di crioconservazione e per la consegna di farmaci in situ[5].

Conclusioni

La versatilità della seta offre uno straordinario ventaglio di possibili applicazioni con un approccio ecologico. La crescente esigenza di ottenere dispositivi impiantabili ma degradabili ha attirato l’interesse verso la seta del Bombyx mori anche per settori come l’elettronica. Difatti, la fabbricazione di dispositivi elettronici basati su fibre naturali di seta potrebbe trovare terreno fertile nel campo della biomedicina attraverso l’implementazione di biosensori[1]. In un futuro non molto lontano una “elettronica verde”, basata sulla trasmissione di informazioni elettroniche attraverso fibre di seta, potrebbe essere una valida alternativa a basso impatto ambientale della plastica e del silicio.

Referenze

  1. CNR-Ibimet, 2011 – L’arte di allevare il baco da seta – Ministero del Lavoro e delle Politiche Sociali.
  2. Huang et al., 2019 – Silkworm Silk-based Materials and Devices generated using Bio-nanotechnology – Chem Soc Rev., 47(17): 6486-6504.
  3. Farokhi et al., 2018 – Overview of Silk Fibroin Use in Wound Dressings – Trends Biotechnol., 36(9): 907-922.
  4. Tran et al., 2018 – A review of the emerging role of silk for the treatment of the eye – Pharm Res., 35(12): 248.
  5. Kunz et al., 2016 – Silkworm Sericin: Properties and Biomedical Applications – Biomed Res Int., 8175701.
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