I ricercatori delle università di Linköping - in Svezia - e di Okoyama - in Giappone - hanno studiato una combinazione di materiali ispirata alla crescita ossea che, prima di indurirsi, riesce a mutare la propria forma. Inizialmente il materiale è morbido, poi però si rafforza seguendo il processo di sviluppo delle ossa, usando gli stessi materiali trovati nello scheletro.
Ispirato alla natura
Quando nasciamo, nei nostri teschi ci sono dei buchi ricoperti da pezzi di tessuto connettivo morbido chiamati “fontanelle”. È grazie alle fontanelle che le nostre teste possono deformarsi durante la nascita e riuscire a uscire. Dopo la nascita, il tessuto si trasforma in osso duro. Ora, i ricercatori hanno combinato dei materiali che insieme simulano questo processo naturale.
“Vogliamo utilizzare questo processo per le applicazioni in cui i materiali hanno bisogno di avere diverse proprietà in più punti allo stesso momento. Innanzitutto, il materiale è morbido e flessibile, poi si blocca al proprio posto quando si indurisce. Il materiale, per esempio, può essere usato nelle fratture ossee difficili da riparare e nei microrobots. Questi ultimi possono essere iniettati nel corpo tramite una siringa sottile e, successivamente, dispiegarsi sviluppando le proprie ossa rigide”, spiega Edwin Jager, Professore associato al Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia (IFM) dell’Università di Linköping.
Un'idea nata da un incontro
L’idea è nata durante una visita in Giappone, quando lo scienziato dei materiali Edwin Jager ha incontrato Hiroshi Kamioka e Emilio Hara, che conducevano delle ricerche sulle ossa. I ricercatori giapponesi hanno scoperto un tipo di biomolecola in grado di stimolare la crescita delle ossa in un breve lasso di tempo. Era possibile combinare questa biomolecola con le ricerche sui materiali di Jager per sviluppare nuovi materiali dalla durezza variabile?
Nello studio che ne è seguito, pubblicato in “Advanced Materials”, i ricercatori hanno costruito un tipo di semplice “microrobot” che può assumere diverse forme e cambiare durezza. Gli studiosi hanno iniziato con un materiale in gel chiamato alginato. Su un lato del gel è cresciuto un polimero. Questo materiale è elettroattivo, e cambia il proprio volume quando viene applicato un voltaggio elevato, facendo piegare il microrobot verso una direzione specifica. Dall’altro lato del gel, i ricercatori hanno attaccato delle biomolecole che fanno indurire il materiale morbido. Queste biomolecole sono estratte dalla membrana cellulare di un tipo di cellula che è molto importante per lo sviluppo osseo. Quando il materiale è immerso in un terreno di coltura cellulare – un ambiente che simula il corpo e contiene calcio e fosforo – le biomolecole che compongono il gel si mineralizzano e si induriscono proprio come delle ossa.
Un materiale flessibile
Un’applicazione potenziale di interesse per i ricercatori è la riparazione delle ossa. L’idea è che il materiale soffice, rinforzato con il polimero elettroattivo, sarà in grado di muoversi da solo nello spazio fra le fratture complicate ed espandersi. Quando il materiale si è indurito, può formare il fondamento per la costruzione di un nuovo osso. Nel loro studio, i ricercatori hanno dimostrato che il materiale può avvolgersi attorno alle ossa di pollo, e l’osso artificiale che si sviluppa successivamente cresce insieme a quello dell’animale.
Creando schemi nel gel, i ricercatori possono determinare come il semplice microrobot possa piegarsi quando viene applicato un voltaggio. Le linee perpendicolari alla superficie del materiale fanno sì che il robot si pieghi a semicerchio, mentre le linee diagonali lo fanno piegare come una spirale.
“Controllando come il materiale si gira, possiamo far muovere il microrobot in diversi modi, e condizionare il modo in cui il materiale si srotola nelle ossa rotte. Possiamo inserire questi movimenti nelle strutture dei materiali, rendendo superflui i programmi complessi per guidare questi robot”, dice Jager.
La ricerca continua
Per saperne di più sulla biocompatibilità di questa combinazione di materiali, i ricercatori ora stanno indagando su come queste proprietà funzionano insieme alle cellule viventi.
La ricerca è stata finanziata da alcune organizzazioni come la Japanese Society for the Promotion of Science (JSPS), il Bridge Fellowship Program, KAKENHI, il Concilio Svedese di Ricerca, Promobilia e STINT (Swedish Foundation for International Cooperation in Research and Higher Education).
Fonte: ©ScienceDaily
