Proprio come i farmaci a rilascio controllato distribuiscono lentamente il loro carico dopo aver subito un cambiamento di pH nel corpo, I "muscoli artificiali" impiantati potrebbero un giorno flettersi e rilassarsi in risposta alla luce che illumina la pelle. Negli studi pilota, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo materiale che si espande e si contrae, sollevare un peso semplicemente illuminandolo.

I ricercatori presenteranno oggi i loro risultati all'American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

"Abbiamo sviluppato un nuovo polimero che ha un nuovo meccanismo per l'azionamento dei materiali, facendo restringere i materiali, espandere o mantenere una "memoria" di una forma particolare, il tutto con un semplice stimolo, "dice Jonathan Barnes, dottorato di ricerca

Finora i materiali sensibili agli stimoli sono stati applicati in molti settori diversi. Per esempio, alcuni di loro cambiano colore e sono usati come rivestimenti del parabrezza per ombreggiare istantaneamente i conducenti sotto il sole accecante. Altri materiali possono essere formati in vasi che rispondono ai cambiamenti nelle concentrazioni di nutrienti e alimentano le colture agricole secondo necessità. Ancora altre applicazioni sono nell'area biomedica.

Barnes e il suo team della Washington University di St. Louis (WUSTL) stanno testando il loro nuovo polimero per determinare per cosa è particolarmente adatto. Ma l'obiettivo principale è stato quello di vedere se il materiale può funzionare, un tratto che potrebbe facilitare lo sviluppo di un muscolo artificiale.

Durante la scuola di specializzazione, Barnes ha studiato un gruppo di molecole, conosciuti come viologeni, che cambiano colore con l'aggiunta e la sottrazione di elettroni. Barnes sospettava che se queste molecole fossero state collegate tra loro, si piegherebbero come una fisarmonica perché le aree che accettano un singolo elettrone si riconoscono. Si chiedeva anche se l'azione delle molecole di piegatura potesse far muovere una rete 3D, e se potesse rendere il processo reversibile.

Per affrontare questi problemi, Il team di Barnes al WUSTL ha sintetizzato catene polimeriche con viologeni nella loro spina dorsale. Quando una luce LED blu è stata illuminata sulle molecole, si sono piegati in pieghe con l'aiuto di noti catalizzatori fotoredox in grado di trasferire elettroni ai viologeni. I ricercatori hanno poi incorporato i polimeri in un flessibile, idrogel 3-D idrosolubile. Quando la squadra ha puntato la luce sul gel, l'effetto fisarmonica che si è verificato all'interno della molecola ha tirato il gel su se stesso, facendo raggrinzire il materiale fino a un decimo della sua dimensione originale. Quando la luce è stata spenta, il materiale si è espanso. Quando l'idrogel incorporato nel polimero cambia forma, ha anche cambiato colore.

"La bellezza del nostro sistema è che possiamo prendere un po' del nostro polimero, chiamato poliviologeno, e inserirlo in qualsiasi tipo di rete 3D, trasformandolo in un materiale reattivo agli stimoli, " dice Barnes. Meno dell'uno per cento del peso dell'idrogel deve contenere poliviologeno per ottenere una risposta. Quindi il polimero non impone un effetto significativo sulle altre proprietà del materiale in cui è contenuto.

Per scoprire se il materiale potrebbe funzionare, il gruppo ha attaccato il gel a una striscia di nastro isolante con un pezzo di filo all'estremità. Hanno sospeso un piccolo peso dal filo e hanno appeso l'idrogel davanti a una luce blu. Il gel ha sollevato il peso, che era circa 30 volte la massa del poliviologeno incorporato, e dopo cinque ore, si è alzato di parecchi centimetri.

Il gruppo ha ora apportato altre modifiche, incluso rendere i gel più forti ed elastici, e facendoli muovere più velocemente. E i ricercatori hanno sviluppato polimeri che rispondono a più stimoli contemporaneamente. Hanno anche costruito gel che rispondono alla luce a diverse lunghezze d'onda. Materiali che rispondono alla luce rossa o al vicino infrarosso, che può penetrare nei tessuti umani, potrebbe essere utilizzato in applicazioni biomediche, come dispositivi per la somministrazione di farmaci o, infine, come muscoli artificiali.

Barnes afferma che il suo gruppo ha appena iniziato a testare i limiti di questi nuovi materiali. Attualmente, il team sta studiando le proprietà autorigeneranti degli idrogel incorporati in poliviologeno, e stanno esplorando la possibilità di stampare in 3D i polimeri in diversi tipi di materiali.