Gli scienziati dei materiali dell'UCLA e i loro colleghi hanno sviluppato un nuovo metodo per realizzare biomateriali sintetici che imitano la struttura interna, elasticità, forza e durata dei tendini e di altri tessuti biologici.

I ricercatori hanno sviluppato un processo su due fronti per migliorare la forza degli idrogel esistenti che potrebbero essere utilizzati per creare tendini artificiali, legamenti, cartilagine che sono 10 volte più dure dei tessuti naturali. Sebbene gli idrogel contengano principalmente acqua con poco contenuto solido (circa il 10% di polimero), sono più resistenti del Kevlar e della gomma, che sono entrambi 100% polimero. Questo tipo di innovazione non è mai stata raggiunta nei polimeri carichi d'acqua fino a questo studio, che è stato recentemente pubblicato in Natura . I nuovi idrogel potrebbero anche fornire un rivestimento per dispositivi medici impiantati o indossabili per migliorarne la vestibilità, comfort e prestazioni a lungo termine.

"Questo lavoro mostra un percorso molto promettente verso biomateriali artificiali che sono alla pari con, se non più forte di, tessuti biologici naturali, " ha detto il leader dello studio Ximin He, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la UCLA Samueli School of Engineering.

Gli idrogel sono un'ampia classe di materiali con strutture interne costituite da polimeri o gel incrociati. Mostrano la promessa per l'uso come tessuti sostitutivi, o per chiudere temporaneamente le ferite o come soluzione a lungo termine o addirittura permanente. Inoltre, i gel possono avere applicazioni per robot morbidi ed elettronica indossabile.

Però, gli attuali idrogel non sono abbastanza forti o durevoli da imitare o sostituire i tessuti che devono muoversi e flettersi ripetutamente mentre sopportano il peso. Per affrontare questi problemi, il team guidato dall'UCLA ha impiegato una combinazione di approcci di ingegneria molecolare e strutturale che non erano stati precedentemente utilizzati insieme per produrre idrogel.

Primo, i ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato "fusione a freddo", un processo di solidificazione che si traduce in polimeri porosi e concentrati, simile a una spugna. Secondo, hanno usato un trattamento di "salatura" per aggregare e cristallizzare le catene polimeriche in forti fibrille. I nuovi idrogel risultanti hanno una serie di strutture di collegamento su diverse scale, da livelli molecolari fino a pochi millimetri. La gerarchia di queste molteplici strutture, simile a quello delle controparti biologiche, consente al materiale di essere più forte e più elastico.

Come dimostrato dalla squadra, questo metodo versatile è altamente personalizzabile e potrebbe replicare vari tessuti molli nel corpo umano.

I ricercatori hanno utilizzato alcol polivinilico, un materiale già approvato dalla Food and Drug Administration statunitense, per realizzare il loro prototipo di idrogel. Hanno testato la sua durata, non vedere segni di deterioramento dopo i 30, 000 cicli di test di allungamento. Sotto la luce, il nuovo idrogel ha prodotto un vivido luccichio, simili a veri tendini, confermando le micro/nano strutture che si sono formate nel gel.

Oltre alle applicazioni biomediche, il progresso può contenere il potenziale per macchine chirurgiche o bioelettronica che operano innumerevoli cicli, e stampa 3D di configurazioni precedentemente irraggiungibili, grazie alla flessibilità dell'idrogel. Infatti, il team ha dimostrato che tali architetture di idrogel stampate in 3D potrebbero trasformarsi in altre forme in attesa di cambiamenti di temperatura, acidità o umidità. Agendo come muscoli artificiali, sono molto più resistenti e potrebbero esercitare una grande forza.