Lo sviluppo di una nuova generazione di muscoli artificiali e nanorobot morbidi per la somministrazione di farmaci sono alcuni degli obiettivi a lungo termine di 4D-BIOMAP, un progetto di ricerca ERC intrapreso dall'Universidad Carlos III de Madrid (UC3M). Questo progetto sviluppa metodologie bio-magneto-meccaniche trasversali per stimolare e controllare processi biologici come la migrazione e la proliferazione cellulare, la risposta elettrofisiologica dell'organismo, e l'origine e lo sviluppo delle patologie dei tessuti molli.

"L'idea generale di questo progetto di ricerca è quella di influenzare diversi processi biologici a livello cellulare (cioè, guarigione delle ferite, sinapsi cerebrali o risposte del sistema nervoso) sviluppando applicazioni ingegneristiche tempestive, " spiega il ricercatore capo di 4D-BIOMAP, Daniel García González del Dipartimento di Meccanica del Continuum e Analisi Strutturale dell'UC3M.

I cosiddetti polimeri magnetoattivi stanno rivoluzionando i campi della meccanica dei solidi e della scienza dei materiali. Questi compositi sono costituiti da una matrice polimerica (cioè, un elastomero) che contiene particelle magnetiche (cioè, ferro) che reagiscono meccanicamente cambiando forma e volume. "L'idea è che l'applicazione di un campo magnetico esterno porti a forze interne nel materiale. Queste forze provocano alterazioni delle sue proprietà meccaniche, come rigidità o anche variazioni di forma e volume che possono interagire con i sistemi cellulari'", spiega Daniel García González. Il ricercatore ha recentemente pubblicato un articolo scientifico in Composites Part B:Engineering su questo argomento con i suoi colleghi del Dipartimento di Analisi Strutturale dell'UC3M e del Dipartimento di Bioingegneria e Ingegneria Aerospaziale. In questa collaborazione trasversale, motivato da esperimenti originali, propongono un modello che fornisce una guida teorica per progettare sistemi strutturali magnetoattivi che potrebbero essere applicati nella stimolazione della guarigione delle ferite epiteliali.

La risposta magneto-meccanica è determinata dalle proprietà del materiale della matrice polimerica e delle particelle magnetiche. Se questi processi sono controllati, altre applicazioni ingegneristiche potrebbero essere sviluppate, come robot morbidi che possono interagire con il corpo o una nuova generazione di muscoli artificiali, osserva il ricercatore, che spiega le potenzialità di questa tecnologia con un confronto:"Immaginiamo qualcuno che è in spiaggia e vuole fare un passo avanti velocemente. Tuttavia, la sabbia (l'ambiente meccanico) rende loro un po' più difficile andare avanti che se fossero fermi sull'asfalto o su una pista di atletica. Allo stesso modo, nel nostro caso, se una cellula si trova su un substrato troppo morbido, renderà più difficile il movimento. Così, se invece siamo in grado di alterare questi substrati e creare questa pista di atletica per le cellule, faremo in modo che tutti questi processi si sviluppino in modo più efficiente."

4D-BIOMAP (Biomechanical Stimulation based on 4D Printed Magneto-Active Polymer) è un progetto quinquennale finanziato con 1,5 milioni di euro dal Consiglio europeo della ricerca attraverso un ERC Starting Grant nell'ambito del Programma quadro per la ricerca e l'innovazione, Orizzonte 2020 (GA 947723). Questo progetto di ricerca viene affrontato da una prospettiva multidisciplinare, coinvolgendo conoscenze provenienti da discipline come la meccanica solida, magnetismo, e bioingegneria. In aggiunta a questo, computazionale, sperimentale, e metodologie teoriche saranno combinate.