I muscoli scheletrici umani hanno una combinazione unica di proprietà che i ricercatori sui materiali cercano per le proprie creazioni. sono forti, morbido, pieno d'acqua, e resistente alla fatica. Un nuovo studio dei ricercatori del MIT ha trovato un modo per dare agli idrogel sintetici questo pacchetto completo di caratteristiche:sottoporli a un allenamento vigoroso.

In particolare, gli scienziati hanno addestrato meccanicamente gli idrogel allungandoli a bagnomaria. E proprio come con i muscoli scheletrici, le ripetizioni alla "palestra" hanno dato i suoi frutti. La formazione ha allineato le nanofibre all'interno degli idrogel per produrre un forte, morbido, e materiale idratato che resiste alla rottura o alla fatica su migliaia di movimenti ripetitivi.

Gli idrogel di alcol polivinilico (PVA) addestrati nell'esperimento sono biomateriali ben noti che i ricercatori utilizzano per impianti medici, rivestimenti per farmaci, e altre applicazioni, dice Xuanhe Zhao, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Ma uno con queste quattro importanti proprietà non è stato progettato o prodotto fino ad ora".

Nella loro carta, pubblicato questa settimana su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Zhao e i suoi colleghi descrivono come gli idrogel possono anche essere stampati in 3D in una varietà di forme che possono essere addestrate per sviluppare la suite di proprietà simili ai muscoli.

Nel futuro, i materiali potrebbero essere utilizzati in impianti come "valvole cardiache, sostituzioni della cartilagine, e dischi spinali, così come in applicazioni ingegneristiche come robot morbidi, " dice Zhao.

Altri autori del MIT sull'articolo includono lo studente laureato Shaoting Lin, postdottorato Ji Liu, e lo studente laureato Xunyue Liu nel laboratorio di Zhao.

Allenamento per la forza e altro

Tessuti naturali eccellenti come muscoli e valvole cardiache sono una bioispirazione per i ricercatori dei materiali, ma è stato molto impegnativo progettare materiali che catturassero tutte le loro proprietà contemporaneamente, dice Zhao.

Ad esempio, si può progettare un idrogel con fibre altamente allineate per dargli forza, ma potrebbe non essere flessibile come un muscolo, oppure potrebbe non avere il contenuto di acqua che lo rende compatibile per l'uso nell'uomo. "La maggior parte dei tessuti del corpo umano contiene circa il 70% di acqua, quindi se vogliamo impiantare un biomateriale nel corpo, un contenuto di acqua più elevato è più desiderabile per molte applicazioni nel corpo, "Spiega Zhao.

La scoperta che l'allenamento meccanico potrebbe produrre un idrogel simile a un muscolo è stata una specie di incidente, dice Lin, l'autore principale dello studio PNAS. Il team di ricerca ha eseguito test di carico meccanico ciclico sugli idrogel, cercando di trovare il punto di fatica in cui gli idrogel inizierebbero a rompersi. Furono invece sorpresi di scoprire che l'allenamento ciclico stava effettivamente rafforzando gli idrogel.

"Il fenomeno del rafforzamento negli idrogel dopo il caricamento ciclico è controintuitivo rispetto all'attuale comprensione della frattura da fatica negli idrogel, ma condivide la somiglianza con il meccanismo di rafforzamento muscolare dopo l'allenamento, "dice Lin.

Prima dell'allenamento, le nanofibre che compongono l'idrogel sono orientate casualmente. "Durante il percorso formativo, quello che ci siamo resi conto è che stavamo allineando le nanofibre, "dice Lin, aggiungendo che l'allineamento è simile a quello che accade a un muscolo umano sotto esercizio ripetuto. Questo allenamento ha reso gli idrogel più forti e resistenti alla fatica. La combinazione delle quattro proprietà chiave è apparsa dopo circa 1, 000 cicli di stretching, ma alcuni degli idrogel sono stati allungati oltre 30, 000 cicli senza rompersi. La resistenza alla trazione dell'idrogel addestrato, nella direzione delle fibre allineate, aumentato di circa 4,3 volte rispetto all'idrogel non stirato.

Allo stesso tempo, l'idrogel ha dimostrato una morbida flessibilità, e mantenuto un alto contenuto di acqua dell'84 per cento, i ricercatori hanno scoperto.

Il fattore antifatica

Gli scienziati si sono rivolti alla microscopia confocale per dare un'occhiata più da vicino agli idrogel addestrati, per vedere se potevano scoprire le ragioni dietro la loro impressionante proprietà anti-fatica. "Li sottoponiamo a migliaia di cicli di carico, allora perché non fallisce?" dice Lin. "Quello che abbiamo fatto è stato fare un taglio perpendicolare a queste nanofibre e abbiamo cercato di propagare una crepa o un danno in questo materiale".

"Abbiamo tinto le fibre al microscopio per vedere come si deformavano a seguito del taglio, [e ha scoperto che] un fenomeno chiamato crack pinning era responsabile della resistenza alla fatica, " dice Ji.

"In un idrogel amorfo, dove le catene polimeriche sono allineate casualmente, non ci vuole troppa energia perché il danno si diffonda attraverso il gel, " aggiunge Lin. "Ma nelle fibre allineate dell'idrogel, una crepa perpendicolare alle fibre è "incastrata" in posizione e non si può allungare perché richiede molta più energia per fratturarsi una per una attraverso le fibre allineate".

Infatti, gli idrogel allenati infrangono una famosa soglia di fatica, predetto dalla teoria di Lake-Thomas, che propone l'energia necessaria per fratturare un singolo strato di catene polimeriche amorfe come quelle che compongono gli idrogel di PVA. Gli idrogel addestrati sono da 10 a 100 volte più resistenti alla fatica di quanto previsto dalla teoria, Zhao ei suoi colleghi hanno concluso.