Gli scienziati hanno cercato modi per sviluppare materiali dinamici come gli esseri viventi, con la capacità di cambiare forma, spostare e modificare le proprietà in modo reversibile.

Ora, con la natura come ispirazione, Gli scienziati della Northwestern University hanno sviluppato materiali morbidi che si autoassemblano autonomamente in sovrastrutture molecolari e si smontano notevolmente su richiesta, modificando le proprietà dei materiali e aprendo la porta a nuovi materiali in applicazioni che vanno dai sensori e dalla robotica ai nuovi sistemi di somministrazione di farmaci e strumenti per la rigenerazione dei tessuti.

I nuovi materiali altamente dinamici formano idrogel e hanno anche fornito indizi biologici inaspettati sul microambiente cerebrale dopo lesioni o malattie quando le loro sovrastrutture hanno rivelato fenotipi reversibili nelle cellule cerebrali caratteristici del tessuto cerebrale danneggiato o sano.

"Siamo abituati a pensare ai materiali come a un insieme statico di proprietà, " ha detto Samuel I. Stupp, autore corrispondente dell'articolo. "Abbiamo dimostrato di poter creare materiali sintetici altamente dinamici che possono trasformarsi formando sovrastrutture e possono farlo in modo reversibile su richiesta, che è una vera svolta con profonde implicazioni".

I risultati sono riportati oggi (4 ottobre) sulla rivista Scienza . Stupp è direttore del Simpson Querrey Institute della Northwestern ed è professore di scienze e ingegneria dei materiali del Consiglio di fondazione, Chimica, Medicina e Ingegneria Biomedica. Erik Luijten, Professore e Cattedra di Scienza dei Materiali e Ingegneria e Scienze dell'Ingegneria e Matematica Applicata, è autore corrispondente.

Per creare il materiale, Stupp e il suo collega postdottorato Ronit Freeman, ora professore associato presso l'Università della Carolina del Nord, Collina della Cappella, ha sviluppato alcune molecole composte da peptidi (composti di amminoacidi) e altre composte da peptidi e DNA. Quando messi insieme, questi due tipi di molecole si sono co-assemblati per formare filamenti su nanoscala idrosolubili.

Quando venivano mescolati filamenti contenenti sequenze di DNA complementari che potevano formare doppie eliche, le molecole contenenti DNA progettate per creare doppie eliche "saltavano fuori" dai loro filamenti per organizzare le uniche complesse sovrastrutture, lasciando dietro di sé le molecole prive di DNA per formare semplici filamenti.

Le sovrastrutture del DNA, contenente milioni di molecole, sembravano fasci contorti di filamenti che raggiungevano dimensioni dell'ordine dei micron sia in lunghezza che in larghezza. Il materiale risultante era inizialmente un idrogel morbido, che diventava meccanicamente più rigida man mano che si formavano le sovrastrutture. Le strutture erano gerarchiche, nel senso che contenevano strutture ordinate su scale di dimensioni diverse. La natura lo fa molto bene:ossa, i muscoli e il legno sono materiali gerarchici, ma tali strutture sono state molto difficili da ottenere con i materiali sintetici.

Anche meglio, i ricercatori hanno scoperto che quando hanno aggiunto una semplice molecola di DNA che potrebbe interrompere le doppie eliche che collegano i filamenti nelle sovrastrutture, i fasci si sono disfatti, e il materiale è tornato alla sua semplice struttura iniziale e allo stato più morbido. Un altro tipo di molecola potrebbe quindi essere utilizzato per riformare i materiali più rigidi contenenti sovrastrutture. Questo tipo di reversibilità non era mai stato raggiunto prima.

Per capire meglio come funzionava questo processo, Stupp collegato con Luijten, uno scienziato dei materiali computazionali. Luijten, con il suo studente laureato Ming Han, sviluppato simulazioni che hanno aiutato a spiegare i meccanismi alla base di come e perché i fasci si sono formati e attorcigliati. In tali simulazioni, Han e Luijten potrebbero esaminare come ciascuna parte delle molecole progettate potrebbe governare la creazione delle sovrastrutture. Dopo lunghi calcoli - ogni calcolo ha richiesto settimane sul supercomputer Quest della Northwestern - hanno scoperto che le molecole non avevano bisogno del DNA per legarsi insieme, ma potevano essere formate in linea di principio da molte altre coppie di molecole con strutture chimiche che interagiscono fortemente tra loro.

"Sulla base della nostra comprensione del meccanismo, avevamo previsto che sarebbero state sufficienti solo cariche positive e negative sulla superficie dei filamenti, " Ha detto Luijten. Ciò significava che tali sovrastrutture potevano essere create senza la presenza di DNA, in un materiale completamente sintetico.

Stupp e i membri del suo laboratorio hanno quindi creato lo stesso materiale utilizzando solo peptidi invece del DNA. Quando i ricercatori hanno utilizzato peptidi con cariche opposte in un'architettura specifica che imita la complementarità del DNA, hanno scoperto che si autoassemblavano in sovrastrutture che erano anche reversibili quando le cariche venivano neutralizzate.

I potenziali usi di questi materiali si espandono nella medicina e oltre. Una terapia complessa con proteine, anticorpi, farmaci anche i geni potrebbero essere immagazzinati nelle sovrastrutture e rilasciati nel corpo su richiesta man mano che le strutture gerarchiche scompaiono. Scientists could also search for new materials in which the reversible superstructures lead to changes in electronic, optical or mechanical properties, or even color and light emission, Stupp said.

"Now that we know this is possible, other scientists can use their imagination and design new molecules in search of these new 'dynamic' materials that reorganize internally on demand to change properties, " Egli ha detto.

The new materials also led the researchers to a biological discovery. They took astrocytes—cells in the brain and spinal cord associated with neurons—and placed them on the new materials. Astrocytes are important because when the brain or the spinal cord are injured or diseased, they acquire a specific shape known as the "reactive phenotype" and produce scars that are dense fibrous networks. In the healthy brain, astrocytes have a "naïve phenotype" and a different shape.

interessante, when the researchers placed astrocytes on the material with only simple filaments, the astrocytes had a naïve phenotype, but when the superstructures formed they became reactive. They then reverted back to the naïve phenotype when the hierarchical structure disassembled. This discovery linked the architecture of the cell's microenvironment to these critical changes of phenotype in injury and disease of the central nervous system.

Biologists recently discovered that it was possible to revert these reactive astrocytes to their naïve state by transplanting them into healthy subjects who do not have injuries, but Stupp and his collaborators found the new material triggers these phenotype transformations in brain cells.

"The cell responded to the structure of the material in its environment, " Stupp said. "It gives us new ideas on how to undo the scars in injured or diseased brain and spinal cord."