Materiali intelligenti o materiali avanzati in grado di memorizzare una forma temporanea e trasformarsi in risposta a uno stimolo possono rivoluzionare la medicina e la robotica. In un nuovo studio ora in corso Progressi scientifici , Luai R. Khoury e un team di ricerca nel dipartimento di fisica dell'Università del Wisconsin-Miluwaukee negli Stati Uniti hanno introdotto un approccio innovativo per programmare idrogel proteici e indurre cambiamenti di forma a temperatura ambiente in soluzioni acquose. Il team ha dimostrato il loro approccio utilizzando idrogel a base di albumina sierica, la proteina più abbondante nel plasma sanguigno. Gli scienziati hanno sintetizzato la proteina in una forma cilindrica oa fiore e hanno programmato i gel in una forma a molla o ad anello. Hanno eseguito la programmazione modificando la rigidità del materiale inducendo l'adsorbimento di Zinco (Zn ²⁺ ) o rame (Cu ²⁺ ) cationi. I biomateriali programmati potrebbero ritrasformarsi nella loro forma originale quando i cationi si diffondono all'esterno del materiale idrogel. Il metodo è una strategia innovativa per programmare idrogel a base di proteine ​​per agire potenzialmente come attuatori robotici.

I biomateriali dinamici con cambiamenti conformazionali possono facilitare le strutture dei tessuti artificiali per la trasformazione morfologica e la robotica morbida per reagire e cambiare in risposta al loro ambiente. I materiali più comuni che cambiano forma sono basati su polimeri che richiedono il passaggio da una fase rigida a una morbida. Tali materiali generalmente si basano su due o più scheletri di rete che condividono lo stesso spazio tridimensionale (3D) o mantengono una risposta chimica a piccoli ioni. La programmazione è definita come la capacità di fissare una forma temporanea in un materiale e il processo richiede un aumento reversibile della rigidità. Il recupero della forma iniziale può passare da una fase rigida a una morbida, tipicamente realizzato cambiando la temperatura, pH o fotocommutazione per compromettere l'integrità della rete secondaria.

Khoury et al. precedentemente introdotto un metodo per formare la memoria di forma in idrogel a base di proteine, dove le proteine ​​formavano la rete primaria in un ambiente ricco di acqua, irrigidendo gli idrogel con polielettroliti adsorbiti. In questo approccio, il team ha prodotto idrogel proteici utilizzando albumina di siero bovino, che è omologa all'albumina sierica umana, la proteina plasmatica più abbondante. Hanno programmato l'idrogel mediante irrigidimento indotto tramite una rete secondaria composta da polielettroliti carichi positivamente, e stimolato un cambiamento di forma avviando la risposta di dispiegamento dei domini proteici nei denaturanti chimici.

La strategia ha consentito il recupero completo rimuovendo il denaturante e questa transizione è stata altamente ripetibile, ma l'adsorbimento del polielettrolita era irreversibile e determinava un cambiamento nella rigidità. In questo lavoro, gli scienziati hanno utilizzato cationi bivalenti per irrigidire gli idrogel a base di proteine ​​e li hanno programmati in una varietà di forme che sono tornate con successo alla loro forma originale tramite una semplice diffusione. Il team di ricerca ha esplorato il cambiamento meccanico per indurre una maggiore rigidità e programmare biomateriali a base di proteine ​​in una varietà di forme. I nuovi idrogel a base di proteine ​​programmati con piccoli ioni hanno costituito un passo importante per progettare biomateriali biocompatibili con strutture regolabili.

Una serie di reazioni può produrre idrogel a base proteica comprese strategie di reticolazione basate su trattamenti con glutaraldeide, reazioni enzimatiche, o fotoattivazione. Khouri et al. utilizzato la fotoattivazione per formare gli idrogel a base di proteine ​​fatti di BSA, la reazione ha prodotto legami covalenti carbonio-carbonio. Hanno testato una gamma di concentrazioni di ioni caricati positivamente per aumentare la rigidità degli idrogel proteici per la programmazione della forma, e misurato la variazione di rigidità utilizzando un apparato reometrico force-clamp. Il team ha scelto 2 mM come concentrazione di partenza per produrre una reticolazione completa per la BSA e gli idrogel risultanti hanno mostrato un comportamento reversibile senza deformazione plastica. Gli idrogel BSA hanno mostrato una rigidità aumentata fino a 5 volte quando trattati con Cu ²⁺ e una rigidità di 17 volte in presenza di Zn ²⁺ ; diversi ordini di grandezza maggiori di quelli riportati per i gel trattati con polielettroliti, consentendo forme programmate più complesse. L'effetto di irrigidimento dipendeva dalla concentrazione della soluzione, dove Zn ²⁺ era più solubile in acqua e quindi più vantaggioso di Cu ²⁺ . Gli idrogel a base di BSA avevano una maggiore tenacità e stress da rottura a causa dell'aumento delle concentrazioni di cationi. La tenacità rappresentava la capacità del materiale di assorbire energia e deformarsi senza fratturarsi. Però, la rottura irreversibile dei legami covalenti era un fattore limitante per le estensioni e quindi l'idrogel richiedeva un ulteriore perfezionamento.

Poiché la dinamica del morphing dalla forma programmata alla forma iniziale dipendeva direttamente dalla diffusione dei cationi al di fuori del biomateriale, Khoury et al. monitorato il fenomeno utilizzando un idrogel cilindrico a forma di U. La forma dell'idrogel dipendeva dalla quantità di irrigidimento indotto dalla somministrazione di cationi. Gli scienziati hanno ottenuto una forma temporanea combinando reticolazione ionica e cationi bivalenti stabili nel materiale. Hanno quindi programmato i biomateriali fusi cilindricamente in una forma a molla e i materiali fusi a fiore in una forma ad anello. I cationi nel mezzo hanno indotto un irrigidimento abbastanza forte seguito dal morphing da un anello a una forma di fiore.

Gli idrogel a base di polimeri da soli hanno una varietà di applicazioni nella memoria di forma e nelle applicazioni di morphing della forma, sebbene non siano strutturalmente diversi come le proteine ​​naturali. In questo nuovo approccio, Luai R. Khoury e colleghi hanno sviluppato idrogel a base di proteine ​​per facilitare il meglio di entrambi i mondi. L'approccio si è basato su Zn ²⁺ e Cu ²⁺ zioni per indurre l'irrigidimento in modo da programmare una forma permanente in una nuova configurazione temporanea. Hanno anche reso i protocolli dello studio ampiamente accessibili tramite Bio-protocollo. La diffusione degli ioni all'esterno del materiale ha permesso al team di recuperare la struttura originale. Mirano a utilizzare Zn ²⁺ prevalentemente in lavori futuri a causa della maggiore biocompatibilità rispetto a Cu ²⁺ . L'approccio ha preservato la funzionalità delle proteine ​​formando lo scheletro dell'idrogel e combinando notevolmente la biodiversità con la capacità di programmazione reversibile.

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