Utilizzando un nuovo tipo di materiale a doppio polimero in grado di rispondere dinamicamente al suo ambiente, I ricercatori della Brown University hanno sviluppato una serie di componenti modulari in idrogel che potrebbero essere utili in una varietà di applicazioni biomediche e "robotiche morbide".

I componenti, che sono modellati da una stampante 3D, sono in grado di piegarsi, torcendosi o attaccandosi insieme in risposta al trattamento con determinate sostanze chimiche. Per un articolo pubblicato sulla rivista Chimica dei polimeri , i ricercatori hanno dimostrato una pinza morbida in grado di attivarsi su richiesta per raccogliere piccoli oggetti. Hanno anche progettato blocchi di costruzione di idrogel simili a LEGO che possono essere accuratamente assemblati e poi sigillati insieme per formare dispositivi microfluidici personalizzati:sistemi "lab-on-a-chip" utilizzati per lo screening dei farmaci, colture cellulari e altre applicazioni.

La chiave della funzionalità del nuovo materiale è la sua doppia composizione polimerica, dicono i ricercatori.

"Essenzialmente, l'unico polimero fornisce integrità strutturale, mentre l'altro consente questi comportamenti dinamici come la flessione o l'autoadesione, " ha detto Thomas Valentin, un dottorato di ricerca appena laureato. studente della Brown's School of Engineering e autore principale dell'articolo. "Quindi mettendo insieme i due si ottiene un materiale che è più grande della somma delle sue parti".

Gli idrogel si solidificano quando i filamenti polimerici al loro interno si legano l'uno all'altro, un processo chiamato reticolazione. Esistono due tipi di legami che tengono insieme i polimeri reticolati:covalente e ionico. I legami covalenti sono abbastanza forti, ma irreversibile. Una volta che due filamenti sono legati covalentemente, è più facile rompere il filo che rompere il legame. I legami ionici d'altra parte non sono così forti, ma possono essere invertiti. L'aggiunta di ioni (atomi o molecole con una carica netta positiva o negativa) causerà la formazione dei legami. La rimozione degli ioni farà cadere i legami.

Per questo nuovo materiale, i ricercatori hanno combinato un polimero che è reticolato covalentemente, chiamato PEGDA, e uno che è ionicamente reticolato, chiamato PAA. I forti legami covalenti di PEGDA tengono insieme il materiale, mentre i legami ionici del PAA lo rendono reattivo. Mettere il materiale in un ambiente ricco di ioni provoca la reticolazione del PAA, il che significa che diventa più rigido e si contrae. Porta via quegli ioni, e il materiale si ammorbidisce e si gonfia quando i legami ionici si rompono. Lo stesso processo consente inoltre al materiale di essere autoadesivo quando lo si desidera. Metti insieme due pezzi separati, aggiungere alcuni ioni, e i pezzi si attaccano saldamente insieme.

Quella combinazione di forza e comportamento dinamico ha permesso ai ricercatori di realizzare la loro pinza morbida. Hanno modellato ciascuna delle "dita" della pinza per avere PEGDA puro da un lato e una miscela PEGDA-PAA dall'altro. L'aggiunta di ioni ha causato il restringimento e il rafforzamento del lato PEGDA-PAA, che ha unito le due dita della pinza. I ricercatori hanno dimostrato che la configurazione era abbastanza forte da sollevare piccoli oggetti del peso di circa un grammo, e tenerli contro la gravità.

"C'è molto interesse per i materiali che possono cambiare forma e adattarsi automaticamente a diversi ambienti, " ha detto Ian Y. Wong, un assistente professore di ingegneria e l'autore corrispondente del documento. "Quindi qui dimostriamo un materiale che può flettersi e riconfigurarsi in risposta a uno stimolo esterno".

Ma potenzialmente un'applicazione più immediata è nella microfluidica, dicono i ricercatori.

Gli idrogel sono un materiale attraente per i dispositivi microfluidici, specialmente quelli utilizzati nei test biomedici. Sono morbidi e flessibili come i tessuti umani, e generalmente non tossico. Il problema è che gli idrogel sono spesso difficili da modellare con i complessi canali e camere necessari nella microfluidica.

Ma questo nuovo materiale, e il concetto di blocco LEGO che consente, offre una potenziale soluzione. Il processo di stampa 3D consente di incorporare complesse architetture microfluidiche in ogni blocco. Questi blocchi possono quindi essere assemblati utilizzando una configurazione di prese molto simile a quella dei veri blocchi LEGO. L'aggiunta di ioni ai blocchi assemblati crea una tenuta stagna.

"I blocchi LEGO modulari sono interessanti in quanto potremmo creare una cassetta degli attrezzi prefabbricata per dispositivi microfluidici, " ha detto Valentin. "Tieni a portata di mano una varietà di parti preimpostate con diverse architetture microfluidiche, e poi prendi solo quelli che ti servono per creare il tuo circuito microfluidico personalizzato. Poi li guarisci insieme ed è pronto per partire".

E conservare i blocchi per lunghi periodi prima dell'uso non sembra essere un problema, dicono i ricercatori.

"Alcuni dei campioni che abbiamo testato per questo studio avevano tre o quattro mesi, " ha detto Eric DuBois, uno studente Brown e coautore del documento. "Quindi pensiamo che questi potrebbero rimanere utilizzabili per un lungo periodo".

I ricercatori dicono che continueranno a lavorare con il materiale, potenzialmente modificando le proprietà dei polimeri per ottenere ancora più durata e funzionalità.