Gli scienziati hanno creato per la prima volta superfici sintetiche morbide con trame simili a linguette utilizzando la stampa 3D, aprendo nuove possibilità per testare le proprietà di lavorazione orale degli alimenti, tecnologie nutrizionali, farmaci e terapie per la secchezza delle fauci.

Scienziati britannici guidati dall'Università di Leeds in collaborazione con l'Università di Edimburgo hanno replicato il design superficiale altamente sofisticato di una lingua umana e hanno dimostrato che la loro struttura in silicone sintetico stampato imita la topologia, elasticità e bagnabilità della superficie della lingua.

Questi fattori sono strumentali al modo in cui il cibo o la saliva interagiscono con la lingua, che a sua volta può influenzare la sensazione in bocca, deglutizione, discorso, apporto nutritivo e qualità della vita.

Una lingua biomimetica aiuterà gli sviluppatori a eseguire lo screening di prodotti di nuova concezione e ad accelerare i nuovi processi di sviluppo senza la necessità di sperimentazioni umane nelle fasi iniziali, che spesso sono molto costose e richiedono molto tempo.

Particolarmente, dall'inizio della pandemia di COVID-19, il distanziamento sociale ha posto sfide significative per eseguire tali prove sensoriali e test sui consumatori. Una lingua biomimetica sarà immensamente utile per aumentare la produttività dello sviluppo e ridurre la dipendenza dei produttori dalle sperimentazioni umane nelle fasi iniziali.

Una lingua biomimetica potrebbe inoltre offrire una miriade di applicazioni per combattere l'adulterazione nel cibo e in altri prodotti farmaceutici somministrati per via orale, indipendentemente dal fatto che gli attributi strutturali siano le caratteristiche principali e possa risparmiare enormi perdite economiche.

La natura complessa della superficie biologica della lingua ha posto sfide nella replica artificiale, aggiungendo importanti ostacoli allo sviluppo e allo screening di trattamenti o terapie efficaci di lunga durata per la sindrome della bocca secca:circa il 10% della popolazione generale e il 30% delle persone anziane soffrono di secchezza delle fauci.

Autore principale dello studio, Il dottor Efren Andablo-Reyes ha condotto questa ricerca mentre era borsista post-dottorato presso la School of Food Science and Nutrition a Leeds. Ha detto:"Ricreare la superficie di una lingua umana media comporta sfide architettoniche uniche. Centinaia di piccole strutture simili a gemme chiamate papille conferiscono alla lingua la sua caratteristica consistenza ruvida che, in combinazione con la natura morbida del tessuto, creano un paesaggio complicato da un prospettiva meccanica.

"Abbiamo focalizzato la nostra attenzione sulla sezione dorsale anteriore della lingua dove alcune di queste papille contengono recettori del gusto, mentre molti di loro mancano di tali recettori. Entrambi i tipi di papille svolgono un ruolo fondamentale nel fornire il giusto attrito meccanico per aiutare la lavorazione del cibo in bocca con la quantità adeguata di saliva, fornendo una piacevole percezione al palato e una corretta lubrificazione per la deglutizione.

"Volevamo replicare queste caratteristiche meccanicamente rilevanti della lingua umana in una superficie facile da usare in laboratorio per replicare le condizioni di lavorazione orale".

Lo studio che ha riunito competenze uniche nella scienza dei colloidi alimentari, fisica della materia soffice, odontoiatria, ingegneria meccanica e informatica è pubblicata oggi sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS .

Il team ha preso impronte in silicone delle superfici della lingua da quindici adulti. Le impronte sono state scansionate otticamente in 3D per mappare le dimensioni delle papille, densità e ruvidità media delle lingue. Si è scoperto che la trama di una lingua umana assomiglia a un layout casuale.

Il team ha utilizzato simulazioni al computer e modelli matematici per creare una superficie artificiale stampata in 3D che funzionasse come uno stampo contenente pozzetti con la forma e le dimensioni delle diverse papille distribuite casualmente sulla superficie con la giusta densità. Questo è stato replicato contro elastomeri di morbidezza e bagnabilità ottimizzate.

Coautore dell'Università di Edimburgo, Rik Sarkar della School of Informatics ha dichiarato:"La casualità nella distribuzione delle papille sembra svolgere un importante ruolo sensoriale per la lingua.

"Abbiamo definito un nuovo concetto chiamato probabilità di collisione per misurare il meccanosensore che avrà un grande impatto in quest'area. In futuro, useremo una combinazione di apprendimento automatico e topologia computazionale per creare modelli linguistici di diversi individui sani e malati per affrontare varie condizioni orali".

La superficie artificiale è stata quindi stampata in 3D utilizzando la tecnologia di elaborazione della luce digitale con sede presso la School of Mechanical Engineering di Leeds.

Il team ha condotto una serie di esperimenti utilizzando diversi fluidi complessi per garantire che la bagnabilità della superficie stampata (come un liquido mantiene il contatto e si diffonde su una superficie) e le prestazioni di lubrificazione fossero le stesse delle impronte della lingua umana.

Il coautore, il dott. Michael Bryant della School of Mechanical Engineering di Leeds, ha dichiarato:"L'applicazione dei principi bio-tribologici, lo studio dell'attrito e della lubrificazione, nella creazione di questa superficie a lingua è un significativo passo avanti in questo campo.

"La capacità di produrre repliche accurate delle superfici della lingua con struttura e proprietà meccaniche simili aiuterà a semplificare la ricerca e lo sviluppo per l'igiene orale, prodotti alimentari e tecnologie terapeutiche".

Investigatore principale Anwesha Sarkar, Professore di Colloidi e Superfici a Leeds, ha dichiarato:"Mappare e replicare accuratamente la superficie della lingua e combinarla con un materiale che si avvicina all'elasticità della lingua umana non è stato un compito da poco. Sfruttare l'esperienza di più discipline STEM, abbiamo dimostrato la capacità senza precedenti di una superficie in silicone stampata in 3D di imitare le prestazioni meccaniche della lingua umana.

"Riteniamo che la fabbricazione di una superficie sintetica con proprietà rilevanti che imiti le complesse caratteristiche architettoniche, e, cosa più importante, le prestazioni lubrificanti della lingua umana sono fondamentali per ottenere una comprensione quantitativa di come i fluidi interagiscono all'interno della cavità orale.

"Questa superficie della lingua biomimetica potrebbe anche fungere da strumento meccanico unico per aiutare a rilevare la contraffazione negli alimenti e nelle bevande di alto valore in base agli attributi strutturali, che è una preoccupazione globale e può contribuire a garantire la sicurezza alimentare.

"In definitiva, la nostra speranza è che la superficie che abbiamo progettato possa essere importante per comprendere come la biomeccanica della lingua sia alla base dei fondamenti dell'alimentazione umana e del linguaggio.