Ispirato da come le ossa umane e le colorate barriere coralline regolano i depositi di minerali in risposta all'ambiente circostante, I ricercatori della Johns Hopkins hanno creato un materiale autoadattante che può cambiare la sua rigidità in risposta alla forza applicata. Questo progresso può un giorno aprire le porte a materiali che possono auto-rafforzarsi per prepararsi a una maggiore forza o fermare ulteriori danni. Un rapporto dei risultati è stato pubblicato oggi in Materiale avanzato .

"Immagina un impianto osseo o un ponte che può auto-rinforzarsi dove viene applicata una forza elevata senza ispezione e manutenzione. Permetterà impianti e ponti più sicuri con complicazioni minime, costi e tempi di fermo, "dice Sung Hoon Kang, professore a contratto presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Hopkins Extreme Materials Institute, e Institute for NanoBioTechnology presso la Johns Hopkins University e autore senior dello studio.

Mentre altri ricercatori hanno già tentato di creare materiali sintetici simili, farlo è stato impegnativo perché tali materiali sono difficili e costosi da creare, o richiedono una manutenzione attiva quando vengono creati e sono limitati in quanto stress possono sopportare. Avere materiali con proprietà adattabili, come quelli di legno e osso, può fornire strutture più sicure, risparmiare denaro e risorse, e ridurre l'impatto ambientale dannoso.

I materiali naturali possono autoregolarsi utilizzando le risorse dell'ambiente circostante; Per esempio, le ossa usano i segnali cellulari per controllare l'aggiunta o la rimozione di minerali prelevati dal sangue che li circonda. Ispirato da questi materiali naturali, Kang e colleghi hanno cercato di creare un sistema di materiali che potesse aggiungere minerali in risposta allo stress applicato.

Il team ha iniziato utilizzando materiali in grado di convertire le forze meccaniche in cariche elettriche come impalcature, o strutture di supporto, che può creare cariche proporzionali alla forza esterna posta su di esso. La speranza del team era che queste cariche potessero servire come segnali per i materiali per iniziare la mineralizzazione dagli ioni minerali nell'ambiente.

Kang e colleghi hanno immerso pellicole polimeriche di questi materiali in un fluido corporeo simulato che imita le concentrazioni ioniche del plasma sanguigno umano. Dopo che i materiali incubati nel fluido corporeo simulato, iniziarono a formarsi minerali sulle superfici. Il team ha anche scoperto che potevano controllare i tipi di minerali formati controllando la composizione ionica del fluido.

Il team ha quindi installato una trave ancorata su un'estremità per aumentare gradualmente lo stress da un'estremità all'altra dei materiali e ha scoperto che le regioni con più stress avevano più accumulo di minerali; l'altezza del minerale era proporzionale alla radice quadrata della sollecitazione applicata.

I loro metodi, dicono i ricercatori, sono semplici, a basso costo e non richiedono energia extra.

"Le nostre scoperte possono aprire la strada a una nuova classe di materiali autorigeneranti in grado di auto-rinforzare le aree danneggiate, " dice Kang. Kang spera che questi materiali possano un giorno essere usati come impalcature per accelerare il trattamento di malattie o fratture legate alle ossa, resine intelligenti per trattamenti odontoiatrici o altre applicazioni simili.

Inoltre, questi risultati contribuiscono alla comprensione da parte degli scienziati dei materiali dinamici e di come funziona la mineralizzazione, che potrebbe far luce sugli ambienti ideali necessari per la rigenerazione ossea.