Gli scienziati di NTU e CMU hanno creato una struttura di idrogel simile a una foglia attraverso un processo simile a come crescono i veri tessuti fogliari. Credito:CMU e NTU
Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) e la Carnegie Mellon University (CMU) hanno trovato un modo per dirigere la crescita dell'idrogel, una sostanza gelatinosa, imitare la struttura e le forme dei tessuti vegetali o animali.
I risultati della squadra, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze oggi, suggerire nuove applicazioni in aree come l'ingegneria dei tessuti e la robotica morbida in cui l'idrogel è comunemente usato. Il team ha anche depositato un brevetto presso CMU e NTU.
In natura, tessuti vegetali o animali si formano quando si aggiunge nuova biomassa alle strutture esistenti. La loro forma è il risultato di diverse parti di quei tessuti che crescono a velocità diverse.
Imitando questo comportamento dei tessuti biologici in natura, il gruppo di ricerca composto dagli scienziati della CMU Changjin Huang, David Quinn, K. Jimmy Hsia e il presidente designato NTU Prof Subra Suresh, ha mostrato che attraverso la manipolazione della concentrazione di ossigeno, si può modellare e controllare il tasso di crescita degli idrogel per creare le forme 3D complesse desiderate.
Il team ha scoperto che concentrazioni più elevate di ossigeno rallentano la reticolazione delle sostanze chimiche nell'idrogel, inibendo la crescita in quella specifica area.
Vincoli meccanici come filo morbido, o substrato di vetro che si lega chimicamente al gel, può anche essere usato per manipolare l'autoassemblaggio e la formazione di idrogel in strutture complesse.
Una ciotola di idrogel autoassemblata con bordo ondulato. La soluzione di colorante alimentare blu è contenuta nella ciotola per dimostrare la sua integrità strutturale. Credito:CMU e NTU
Tali strutture organiche complesse sono essenziali per svolgere funzioni corporee specializzate. Per esempio, l'intestino tenue umano è ricoperto da pieghe microscopiche note come villi, che aumentano la superficie dell'intestino per un assorbimento più efficiente dei nutrienti alimentari.
La nuova tecnica differisce dai metodi precedenti che creano strutture 3D aggiungendo/stampando o sottraendo strati di materiali. Questa tecnica, però, si basa sulla polimerizzazione continua dei monomeri all'interno dell'idrogel poroso, simile al processo di allargamento e proliferazione delle cellule viventi nei tessuti organici. La maggior parte dei sistemi viventi adotta un modello di crescita continua, quindi la nuova tecnica che imita questo approccio sarà potenzialmente un potente strumento per i ricercatori per studiare i fenomeni di crescita nei sistemi viventi.
"Un maggiore controllo della crescita e dell'autoassemblaggio degli idrogel in strutture complesse offre una gamma di possibilità in campo medico e robotico. Un campo che ne trarrà vantaggio è l'ingegneria dei tessuti, dove l'obiettivo è sostituire i tessuti biologici danneggiati, come nelle riparazioni del ginocchio o nella creazione di fegati artificiali, " ha detto il professor Subra Suresh, che assumerà la carica di Presidente della NTU il 1° gennaio 2018.
Gli idrogel a crescita controllata e struttura controllata sono utili anche nello studio e nello sviluppo di elettronica flessibile e robotica morbida, fornendo una maggiore flessibilità rispetto ai robot convenzionali, e imitando il modo in cui gli organismi viventi si muovono e reagiscono all'ambiente circostante.
