I ricercatori che cercano di sviluppare idrogel autorigeneranti hanno cercato a lungo di imitare la capacità naturale delle cozze di generare forti, fili flessibili sott'acqua che permettono alle cozze di attaccarsi alle rocce.

Il processo naturale che dà a questi fili di cozza, che si chiamano bissali, la capacità di rompersi e riformarsi è un processo puramente chimico, non biologico, Lo studente laureato del MIT Seth Cazzell ha osservato in una presentazione alla riunione autunnale della Materials Research Society a Boston il 5 dicembre.

La fase critica del processo è il legame chimico delle catene polimeriche a un atomo di metallo (un legame proteina-metallo nel caso della cozza). Questi collegamenti sono chiamati legami di coordinazione metallici reticolati. La loro maggiore forza si verifica quando ogni atomo di metallo si lega a tre catene polimeriche, e formano una rete che si traduce in un forte idrogel.

In un recente pubblicato PNAS carta, Cazzell e il professore associato di scienza e ingegneria dei materiali Niels Holten-Andersen hanno dimostrato un metodo per creare un idrogel autorigenerante in una gamma più ampia di concentrazioni di metalli attraverso l'uso della competizione controllata dal pH, o acidità e alcalinità, dell'ambiente. Cazzell è un ex borsista laureato in scienze e ingegneria della difesa nazionale.

Nel loro sistema di calcolo modello, Cazzell ha dimostrato che in assenza di concorrenza a pH controllato, metallo in eccesso, tipicamente ferro, alluminio, o nichel:travolge la capacità del polimero di formare forti legami incrociati. In presenza di troppo metallo, i polimeri si legheranno singolarmente agli atomi di metallo invece di formare complessi reticolati, e il materiale rimane liquido.

Un ligando di coordinamento metallico ispirato alle cozze comunemente studiato è il catecolo. In questo studio, un catecolo modificato, nitrocatecolo, era attaccato al glicole polietilenico. Studiando il sistema nitrocatecolo coordinato con il ferro, così come un secondo modello di sistema idrogel (istidina coordinata con nichel), Cazzell ha confermato sperimentalmente che la formazione di forti legami incrociati potrebbe essere indotta da concentrazioni di metalli in eccesso, supportando la loro prova computazionale del ruolo competitivo degli ioni idrossido (coppie idrogeno-ossigeno caricate negativamente), che agiscono come un concorrente del polimero per legarsi al metallo.

In queste soluzioni, i polimeri possono legarsi agli atomi di metallo in quelli, due, o tre. Quando più atomi di metallo si legano agli ioni idrossido, ci sono meno atomi di metallo disponibili per legarsi agli atomi di polimero, che aumenta la probabilità che gli atomi di polimero si leghino agli atomi di metallo in forti legami incrociati tripli che producono il gel simile a stucco desiderato.

"Ciò che ci piace davvero di questo studio è che non stiamo guardando direttamente la biologia, ma pensiamo che ci stia dando una bella prova di qualcosa che potrebbe accadere in biologia. Quindi è un esempio di scienza dei materiali che informa ciò che pensiamo che l'organismo stia effettivamente usando per costruire questi materiali, " dice Cazzell.

Nelle simulazioni, Cazzell ha tracciato l'effetto del concorrente idrossido sulla forte formazione di idrogel e ha scoperto che all'aumentare della forza del concorrente, "possiamo entrare in un intervallo in cui possiamo formare un gel quasi ovunque". Ma, lui dice, "Alla fine il concorrente diventa troppo forte, e perdi la capacità di formare un gel."

Questi risultati possono essere utilizzati nella stampa 3D avanzata di tessuti sintetici e altre applicazioni biomediche.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.