I ricercatori della Northwestern Engineering hanno sviluppato un modello teorico per progettare materiali morbidi che dimostrino proprietà oscillanti autonome che imitano le funzioni biologiche. Il lavoro potrebbe far progredire la progettazione di materiali reattivi utilizzati per fornire terapie nonché per materiali morbidi simili a robot che operano in modo autonomo.

La progettazione e la sintesi di materiali con funzioni biologiche richiedono un delicato equilibrio tra forma strutturale e funzione fisiologica. Durante lo sviluppo embrionale, ad esempio, fogli piatti di cellule embrionali si trasformano attraverso una serie di pieghe in intricate strutture tridimensionali come rami, tubi, e solchi. Queste, a sua volta, diventare dinamico, mattoni tridimensionali per organi che svolgono funzioni vitali come il battito cardiaco, assorbimento dei nutrienti, o elaborazione delle informazioni da parte del sistema nervoso.

Tali processi di formatura, però, sono controllati da eventi di segnalazione chimica e meccanica, che non sono completamente comprese a livello microscopico. Per colmare questa lacuna, i ricercatori guidati da Monica Olvera de la Cruz hanno progettato sistemi computazionali e sperimentali che imitano queste interazioni biologiche. idrogel, una classe di materiali polimerici idrofili, sono emersi come candidati in grado di riprodurre i cambiamenti di forma su stimolazione chimica e meccanica osservata in natura.

I ricercatori hanno sviluppato un modello teorico per un guscio a base di idrogel che ha subito cambiamenti morfologici autonomi quando indotto da reazioni chimiche.

"Abbiamo scoperto che le sostanze chimiche hanno modificato il microambiente del gel locale, permettendo il rigonfiamento e la distensione dei materiali tramite sollecitazioni chemio-meccaniche in maniera autonoma, " disse de la Cruz, Avvocato Taylor Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering. "Questo ha generato un cambiamento morfologico dinamico, comprese oscillazioni periodiche che ricordano i battiti cardiaci trovati nei sistemi viventi".

Un documento, intitolato "Formazione di pattern chimicamente controllata in gusci elastici auto-oscillanti, " è stato pubblicato il 1 marzo sulla rivista PNAS . Siyu Li e Daniel Matoz-Fernandez, borsisti post-dottorato nel laboratorio di Olvera de la Cruz, sono stati i co-primi autori del documento.

Nello studio, i ricercatori hanno progettato un guscio polimerico reattivo alle sostanze chimiche destinato a imitare la materia vivente. Hanno applicato le proprietà meccaniche a base d'acqua del guscio di idrogel a una specie chimica, una sostanza chimica che produce un comportamento modellato specifico, in questo caso, oscillazioni ondulatorie, localizzate all'interno del guscio. Dopo aver condotto una serie di reazioni di riduzione-ossidazione, una reazione chimica che trasferisce elettroni tra due specie chimiche, il guscio ha generato microcompartimenti in grado di espandersi o contrarsi, o indurre un comportamento di instabilità-svitamento quando è stata introdotta l'instabilità meccanica.

"Abbiamo accoppiato la risposta meccanica dell'idrogel ai cambiamenti nella concentrazione delle specie chimiche all'interno del gel come un ciclo di feedback, " Matoz-Fernandez ha detto. "Se il livello delle sostanze chimiche supera una certa soglia, l'acqua viene assorbita, gonfiando il gel. Quando il gel si gonfia, la specie chimica si diluisce, innescando processi chimici che espellono l'acqua del gel, quindi contraendo il gel."

Il modello dei ricercatori potrebbe essere utilizzato come base per sviluppare altri materiali morbidi che dimostrino diversi, cambiamenti morfologici dinamici. Ciò potrebbe portare a nuove strategie di consegna dei farmaci con materiali che migliorano il tasso di diffusione di sostanze chimiche compartimentate o rilasciano carichi a velocità specifiche.

"Si potrebbe, in linea di principio, progettare microscomparti catalitici che si espandono e si contraggono per assorbire o rilasciare componenti a una frequenza specifica. Questo potrebbe portare a più mirati, terapie basate sul tempo per curare la malattia, " disse Li.

Il lavoro potrebbe anche informare il futuro sviluppo di materiali morbidi con funzionalità simili a robot che operano in modo autonomo. Questi "robotici morbidi" sono emersi come candidati per supportare la produzione chimica, strumenti per le tecnologie ambientali, o biomateriali intelligenti per la medicina. Eppure i materiali si affidano a stimoli esterni, come la luce, funzionare.

"Il nostro materiale opera in modo autonomo, quindi non è coinvolto alcun controllo esterno, " disse Li. "Colpiscendo il guscio con una reazione chimica, fai scattare il movimento."

I ricercatori intendono basarsi sulle loro scoperte e colmare ulteriormente il divario tra ciò che è possibile in natura e il laboratorio di scienze.

"L'obiettivo a lungo termine è creare idrogel autonomi in grado di svolgere funzioni complesse innescate da indizi semplici come una deformazione meccanica locale, " ha detto Olvera de la Cruz.