Metalli come ferro e calcio svolgono un ruolo cruciale all'interno del corpo umano, quindi non sorprende che i bioingegneri vorrebbero integrarli nel soft, materiali elastici utilizzati per riparare la pelle, vasi sanguigni, polmoni e altri tessuti.

La progettazione di elastomeri, un tipo di polimero con proprietà simili alla gomma, è un processo laborioso che produce un prodotto con una versatilità limitata. Ma gli ingegneri di Cornell hanno sviluppato una nuova struttura che rende la progettazione degli elastomeri un processo modulare, consentendo la miscelazione e l'abbinamento di metalli diversi con un singolo polimero.

Il quadro è dettagliato in "Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers, " pubblicato il 22 settembre in Materiale avanzato .

La struttura è stata concepita quando i ricercatori del Biofoundry Lab di Cornell hanno cercato di creare un innesto vascolare elastico che potesse aiutare a riparare il tessuto cardiaco usando il rame. Yadong Wang, la McAdam Family Foundation Professor of Cardiac Assist Technology presso la Meinig School of Biomedical Engineering, e l'associato post-dottorato Ying Chen voleva incorporare il rame nel loro innesto a causa del suo ruolo nell'indurre l'angiogenesi, il processo mediante il quale nuovi vasi sanguigni crescono da quelli esistenti.

La miscelazione di rame e altri ioni metallici con i polimeri è rimasta un'area di nicchia della chimica, quindi non c'era nessun progetto da seguire per Chen. Anziché, ha deciso di progettare da zero un elastomero biocompatibile e biodegradabile.

La svolta chiave di Chen è stata la reticolazione del suo polimero con ioni di rame usando ligandi chelanti, molecole che legano strettamente uno ione metallico usando due o più legami, "come come una chela di granchio pizzica un oggetto, " ha detto Wang. Mentre i legami di chelazione sono considerati di forza moderata in chimica, gli elastomeri hanno molte molecole reticolanti, quindi una moltitudine di ligandi chelanti può lavorare insieme per formare una molecola forte.

E poiché un ligando può legare più ioni metallici, può produrre un'ampia gamma di proprietà meccaniche, come rigidità e tenacità, nonché proprietà biomediche. Per esempio, gli ioni rame di un polimero potrebbero essere sostituiti con zinco, oppure si potrebbe usare una combinazione di rame e zinco, un tandem che è presente in un importante enzima per combattere l'invecchiamento umano.

"La scoperta è stata piuttosto eccitante, " Ha detto Chen. "Volevo solo andare avanti con il mio elastomero di rame perché sono concentrato sull'ingegneria dei tessuti, ma il professor Wang stava dicendo, 'Rallentare, dobbiamo testare quanto sia potente questa piattaforma e cosa possiamo fare con essa.'"

Come prova del concetto, Chen ha progettato sei elastomeri unici utilizzando un polimero e sei metalli diversi, e poi ha realizzato un settimo elastomero utilizzando una miscela di calcio-magnesio. Era la prima volta che qualcuno dimostrava un elastomero biodegradabile agli ioni metallici, figuriamoci sette di loro.

"Quando Ying mi ha mostrato cosa aveva fatto, Ho detto, 'Questo materiale è incredibile, '", ha detto Wang. "C'è così tanto che puoi fare solo con questo semplice design. Utilizzando molti diversi tipi di ioni metallici, un polimero può trasformarsi in otto, nove, 10 diversi elastomeri."

Il team di ricerca ha anche eseguito esperimenti meccanici e di biocompatibilità sui propri elastomeri, test per lo stress dei materiali, ceppo e capacità di essere utilizzato con i tessuti viventi. La durata e la biocompatibilità degli elastomeri sono state pari a quelle dei biomateriali più tradizionali utilizzati in medicina.

"Il materiale di rame era molto elastico, " Ha detto Chen. "Può essere allungato almeno centinaia di volte senza rompersi".

Ora che la piattaforma ha pubblicato, Chen sta concentrando la sua ricerca sull'innesto di elastomero di rame e sulla sua capacità di riparare i vasi sanguigni e il tessuto cardiaco. Intanto, spera che altri ingegneri utilizzino la sua piattaforma per creare nuovi materiali per migliorare la ricostruzione e la rigenerazione dei tessuti molli.

Wang condivide la stessa speranza, e dette possibili applicazioni per la struttura non sono limitate ai vasi sanguigni e ad altri tessuti, ma potrebbe essere potenzialmente utilizzato per elastomeri industriali come pneumatici ecologici che si biodegradano.

"Stiamo solo grattando la superficie, " Egli ha detto.