Nota applicativa | ElastoSens™ Bio
Misurazione delle proprietà meccaniche della pelle con ElastoSens™ Bio
Introduzione
La pelle non è solo l’organo più esteso del corpo, ma anche una barriera meccanica dinamica che protegge dagli stress ambientali, regola l’equilibrio idrico e contribuisce alla percezione sensoriale. La sua funzione dipende in gran parte dall’organizzazione strutturale del collagene, dell’elastina e di altri componenti del derma, che insieme danno origine a comportamenti meccanici unici come l’elasticità, la rigidità e la viscoelasticità. Misurare queste proprietà permette di capire come la pelle reagisce alle forze che subisce nella vita di tutti i giorni, dall’allungamento alla compressione fino allo sforzo di taglio. Studiandole, scienziati e medici possono capire meglio come funziona una pelle sana, individuare i primi segni di malattia e mettere a punto terapie che ripristinino o preservino le sue funzionalità.
Principali proprietà meccaniche della pelle
Elasticità
L’elasticità riflette la capacità della pelle di tornare alla sua forma originale dopo essere stata deformata. È determinata principalmente dalla rete di fibre elastiche, che permette alla pelle di tornare alla sua forma iniziale dopo essere stata sottoposta a stiramento o a un carico di aspirazione. Gli studi clinici dimostrano che l’elasticità diminuisce significativamente con l’età, influenzando la compattezza e l’aspetto della pelle.
Rigidità
La rigidità descrive quanto la pelle resista alla deformazione sotto carico. È fortemente influenzata dall’organizzazione del collagene nel derma, con la sede anatomica e l’età che rappresentano fattori determinanti. Le ricerche dimostrano che gli strati più profondi, come il derma reticolare, sono in genere più rigidi rispetto agli strati papillari superficiali e che la rigidità diminuisce progressivamente nel corso della vita.
Viscoelasticità
Quando viene sottoposta a sollecitazioni, la pelle mostra risposte sia viscose che elastiche, il che significa che una parte della deformazione si ripristina immediatamente, mentre un’altra parte si ripristina lentamente nel tempo. Questo comportamento viscoelastico riflette l’interazione tra collagene, elastina e matrice extracellulare ed è fondamentale per la capacità della pelle di resistere a carichi meccanici continui o ripetitivi.
Anisotropia
La risposta meccanica della pelle varia a seconda della direzione della forza applicata, una proprietà nota come anisotropia. Questa dipendenza dalla direzione è legata all’orientamento delle fibre di collagene (ad esempio, lungo le linee di Langer) e influenza il modo in cui la pelle si allunga o resiste allo strappo nelle diverse zone del corpo.
Relazione tra malattie e proprietà meccaniche della pelle
Sclerosi sistemica
Nella sclerosi sistemica, la pelle diventa notevolmente più rigida e meno elastica a causa dell’eccessivo deposito di collagene e della fibrosi. Misurare parametri meccanici come la ridotta elasticità o l’aumento della durezza aiuta a valutare la progressione della malattia e i risultati del trattamento.
Morfia e sclerodermia localizzata
Le malattie fibrotiche localizzate, come la morfea, alterano la rigidità e lo spessore della pelle. I metodi di analisi meccanica, in particolare quelli basati sull’aspirazione e sull’indentazione, permettono di quantificare questi cambiamenti, aiutando sia nella diagnosi che nel monitoraggio terapeutico.
Fotoinvecchiamento
L’esposizione cronica ai raggi UV accelera la degradazione del collagene e delle fibre elastiche, causando una riduzione dell’elasticità e un aumento della lassità. Le misurazioni meccaniche rivelano che la pelle fotoinvecchiata si riprende meno efficacemente dopo una deformazione, il che spiega l’aspetto clinico delle rughe e del rilassamento cutaneo.
Cicatrici da ustioni e fibrosi
Il tessuto cicatriziale e il rimodellamento fibrotico che seguono le ustioni alterano in modo significativo le proprietà viscoelastiche della pelle, causando spesso un’eccessiva rigidità e una ridotta elasticità. La misurazione oggettiva di queste proprietà viene sempre più utilizzata per monitorare la maturazione della cicatrice e valutare gli interventi terapeutici.
Come si valuta la meccanica dei tessuti cutanei
Tecniche in vivo (cliniche)
Nella pratica clinica, le proprietà meccaniche della pelle vengono solitamente valutate con tecniche non invasive come il test di aspirazione, l’indentazione o il carico torsionale. Questi metodi applicano una leggera forza meccanica direttamente sulla superficie cutanea e monitorano come il tessuto si deforma e si riprende. Poiché possono essere eseguiti in modo sicuro e veloce sui pazienti, sono ampiamente utilizzati per valutare l’elasticità, la compattezza e la viscoelasticità in relazione all’invecchiamento, alle malattie o alla risposta ai trattamenti. Il loro valore sta nel fornire misurazioni standardizzate e riproducibili che traducono la “sensazione al tatto” della pelle in dati oggettivi, a supporto della dermatologia, della chirurgia plastica e della scienza cosmetica.
Tecniche ex vivo (ricerca)
In ambito di ricerca, le prove meccaniche su campioni di pelle asportati permettono di approfondire il comportamento strutturale del tessuto. Le prove di trazione possono allungare la pelle fino al cedimento, rivelando le relazioni tra sollecitazione e deformazione; l’indentazione permette di valutare la rigidità localizzata; la torsione consente di valutare la resistenza alla torsione; e gli approcci reologici permettono di rilevare le proprietà viscoelastiche. Dato che i campioni possono essere studiati strato per strato, i ricercatori possono mettere in relazione caratteristiche strutturali come le reti di collagene ed elastina con le prestazioni meccaniche macroscopiche della pelle. Questi metodi ex vivo forniscono un quadro dettagliato della biomeccanica della pelle che non è possibile ottenere in vivo, contribuendo al progresso in campi come la medicina rigenerativa, la progettazione di biomateriali e lo sviluppo di terapie mirate ai cambiamenti legati all’età o di natura patologica.
Caso di studio: caratterizzazione meccanica del tessuto cutaneo con ElastoSens™ Bio
ElastoSens™ Bio: uno strumento senza contatto per l'analisi dei tessuti ex vivo
Nel campo della biomeccanica cutanea, l’ ElastoSens™ Bio offre un metodo avanzato per i test ex vivo. Questo strumento misura le proprietà viscoelastiche della pelle in modo continuo e non distruttivo, garantendo che l’integrità del campione venga mantenuta per tutta la durata dell’esperimento. La sua tecnologia permette una caratterizzazione precisa dei tessuti biologici molli e consente di effettuare misurazioni ripetute nel tempo in condizioni ambientali controllate, integrando e ampliando così le informazioni fornite dai test meccanici convenzionali.
Per dimostrare il potenziale di ElastoSens™ Bio, abbiamo condotto uno studio ex vivo su campioni di pelle. La sezione seguente illustra i materiali e i metodi utilizzati in questo esperimento, seguiti dai risultati, offrendo un esempio pratico dell’applicazione dello strumento.
Materiali e metodi
La pelle di pecora e di vacca è stata ottenuta fresca da un allevamento locale. I campioni sono stati rifilati fino a uno spessore di circa 1,8 mm, corrispondente all’epidermide e al derma senza l’ipoderma sottostante, e ritagliati con fustelle circolari per essere inseriti nei supporti per membrane ElastoSens™ Bio (Figura 1). Per evitare che si seccassero, i campioni sono stati immersi in soluzione salina tamponata con fosfato (PBS) per tutta la notte a 4 °C prima del test. Ogni campione è stato poi inserito nello strumento ElastoSens™ Bio a 25 °C per 1 ora per raggiungere l’equilibrio. Il PBS in eccesso è stato rimosso delicatamente prima della misurazione.
Lo strumento forniva parametri viscoelastici in tempo reale, tra cui il modulo di conservazione al taglio (G′) e il modulo di perdita al taglio (G″). Per ogni condizione, i risultati sono stati espressi come valori medi ricavati da tre campioni, prelevati da diverse zone dello stesso strato cutaneo (n = 3).
Figura 1. Tessuto cutaneo di pecora e mucca preparato e inserito nei supporti per membrane ElastoSens™ Bio per la caratterizzazione viscoelastica non distruttiva. L’immagine in alto mostra il campione di pelle intatto prima del sezionamento, mentre quella in basso mostra alcune porzioni rappresentative di pelle fissate nei supporti per il test.
Risultati e discussione
Le proprietà viscoelastiche della pelle di pecora e di vacca sono state valutate utilizzando il sistema di analisi ElastoSens™ Bio (Figura 2). Per la pelle di pecora, il modulo di immagazzinamento al taglio (G′) era in media di 6,11 ± 1,62 kPa (n = 3), mentre la pelle di vacca ha mostrato un valore leggermente inferiore, pari a 4,92 ± 0,24 kPa (n = 3). Manan et al. (2015) hanno misurato la pelle bovina prelevata dalla zona della piega glutea (spessore ~3 mm, epidermide + derma senza ipoderma) sottoponendola a trazione uniaxiale, riportando un modulo di Young medio di 12,57 MPa, corrispondente a un modulo di taglio a piccola deformazione di circa 94 kPa.
Le differenze tra i nostri valori e quelli riportati nel riferimento citato possono essere attribuite alle variazioni nella tecnologia e nelle condizioni di prova, tra cui la modalità di deformazione (trazione rispetto al taglio), il livello di deformazione, la temperatura e la durata della prova, oltre alla preparazione del campione e alla direzione di misurazione. In generale, ElastoSens™ Bio analizza campioni idratati sottoposti a taglio oscillatorio a piccola deformazione, condizioni che catturano la risposta elastica del tessuto e ne preservano la struttura. Questo modulo nell’ordine dei kPa offre quindi una rappresentazione fisiologicamente rilevante della pelle nel suo ruolo naturale di barriera protettiva e portante.
Figura 2: Proprietà viscoelastiche del tessuto cutaneo di pecora e vacca: modulo di immagazzinamento al taglio (G′) ottenuto con il sistema di analisi non distruttiva ElastoSens™ Bio (media ± deviazione standard, n=3).
Conclusioni e prospettive
Le proprietà meccaniche del tessuto cutaneo — caratterizzate da elasticità, viscoelasticità e anisotropia strutturale — sono fondamentali per capire il suo ruolo fisiologico nella protezione, nella funzione di barriera e nella percezione sensoriale. I test viscoelastici non distruttivi con ElastoSens™ Bio permettono di quantificare in modo affidabile le proprietà meccaniche della pelle, rilevando parametri chiave come il modulo di immagazzinamento di taglio (G′) e il modulo di perdita di taglio (G″). Questo approccio fornisce dati precisi e riproducibili, offrendo una solida base di riferimento sia per la ricerca biomedica che per gli studi di dermatologia traslazionale. Oltre a questi risultati, ElastoSens™ Bio offre vantaggi unici per la ricerca sulla pelle e sui tessuti molli:
- La preparazione e l’installazione semplici riducono al minimo la manipolazione, preservando al contempo l’idratazione e l’integrità strutturale.
- L’elevata sensibilità e ripetibilità consentono di ottenere misurazioni coerenti in diverse sedi anatomiche, cogliendo la variabilità regionale.
- Il benchmarking interspecifico facilita la ricerca traslazionale, consentendo di confrontare direttamente le caratteristiche meccaniche della pelle nei modelli animali e negli esseri umani.
- La versatilità della piattaforma permette di testare diversi tessuti molli e biomateriali in condizioni identiche, rendendola utile per lo sviluppo di sostituti cutanei, scaffold o materiali per la guarigione delle ferite.
- L’incubazione controllata e i test ripetuti permettono di monitorare i cambiamenti viscoelastici nel tempo, che siano dovuti all’invecchiamento, all’esposizione ai raggi UV, a trattamenti farmacologici o a condizioni patologiche.
- Anche le applicazioni nel campo dei tessuti ingegnerizzati traggono vantaggio da misurazioni non distruttive e ripetute che riflettono l’evoluzione dinamica dei costrutti cutanei bioingegnerizzati.
Nel loro insieme, queste caratteristiche rendono ElastoSens™ Bio uno strumento potente per approfondire la nostra comprensione della biomeccanica cutanea, supportare la fisiologia comparata e guidare la progettazione di biomateriali e terapie volte a ripristinare o migliorare la funzionalità della pelle.
Riferimenti
Kalra, A., Lowe, A., & Al-Jumaily, A. M. (2016). Mechanical behaviour of skin: a review. J. Mater. Sci. Eng, 5(4), 1000254.
Lynch, B., Pageon, H., Le Blay, H., Brizion, S., Bastien, P., Bornschlögl, T., & Domanov, Y. (2022). A mechanistic view on the aging human skin through ex vivo layer-by-layer analysis of mechanics and microstructure of facial and mammary dermis. Scientific reports, 12(1), 849.
Junker, H. J., Thumm, B., Halvachizadeh, S., & Mazza, E. (2023). A quantitative comparison of devices for in vivo biomechanical characterization of human skin. Mechanics of soft materials, 5(1), 5.
Luebberding, S., Krueger, N., & Kerscher, M. (2014). Mechanical properties of human skin in vivo: a comparative evaluation in 300 men and women. Skin Research and Technology, 20(2), 127-135.
Manan, N. F. A., Mahmud, J., & Jumahat, A. (2015). Biomechanical behaviour of bovine skin: An experiment-theory integration and finite element simulation. Jurnal Teknologi, 76(10), 103–111.
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