Un estensimetro separa i campioni di idrogel. (Superiore) Un tipico gel con una tacca tagliata sul lato sinistro si è spezzato subito dopo essere stato allungato. (Al centro) Il nuovo gel auto-rinforzato aveva una tacca tagliata sul lato sinistro, e nonostante ciò ha mantenuto l'integrità quando è stato allungato più di un tipico idrogel. (In basso) Un diagramma delle catene di glicole polietilenico (PEG) e degli anelli di idrossipropil-α-ciclodestrina (HPαCD) che si allungano e si rilassano. Credito:©2021 Mayumi et al.
Gli idrogel sono materiali polimerici costituiti principalmente da acqua. Possono essere utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni mediche e di altro tipo. Però, precedenti incarnazioni dei materiali soffrivano di ripetute sollecitazioni meccaniche e si deformavano facilmente. Un nuovo cristallo che può formarsi e deformarsi in modo reversibile, consente agli idrogel di riprendersi rapidamente dallo stress meccanico. Questo apre l'uso di tali materiali biocompatibili nel campo delle articolazioni e dei legamenti artificiali.
Molti di noi subiscono occasionali infortuni sportivi o sperimentano qualche tipo di dolore relativo alle articolazioni e ai legamenti ad un certo punto della nostra vita. Per lesioni gravi di questa natura, spesso c'è poco da fare per riparare il danno. Ma un nuovo sviluppo nel campo dei materiali polimerici ricchi di acqua noti come idrogel potrebbe arrivare in sala operatoria tra circa 10 anni. E dovrebbero resistere alle stesse sollecitazioni meccaniche che subiscono anche i nostri tessuti naturali delle articolazioni e dei legamenti. Si chiamano gel auto-rinforzati.
"Il problema con gli idrogel esistenti è che possono essere meccanicamente deboli e quindi necessitano di un rafforzamento, ", ha affermato il Professore Associato Koichi Mayumi dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido dell'Università di Tokyo. "Tuttavia, i metodi precedenti per rafforzarli funzionano solo un numero limitato di volte, o talvolta solo una volta. Quei gel non si riprendono rapidamente da stress come gli impatti. Quindi abbiamo esaminato altri materiali che mostrano una forte recuperabilità, come la gomma naturale. Prendendo spunto da questi, abbiamo creato un idrogel che mostra resistenza e recuperabilità simili alla gomma pur mantenendo la flessibilità."
I precedenti esempi di idrogel temprati utilizzano i cosiddetti legami sacrificali che si rompono quando vengono deformati. La distruzione dei legami sacrificali dissiperebbe l'energia meccanica conferendo forza al materiale, ma i vincoli sacrificali richiederebbero tempo, a volte minuti, riprendersi. E a volte non si riprendevano affatto.
In contrasto, Mayumi e il suo team hanno introdotto cristalli che si assemblano in forme rigide sotto sforzo, ma torna molto rapidamente allo stato di gel quando il ceppo viene rilasciato. In altre parole, l'idrogel complessivo è estremamente flessibile a riposo ma si rassoda all'impatto, proprio come fanno le gomme naturali. Le strutture cristalline sono composte da catene di polietilenglicole (PEG) legate da anelli di idrossipropil-α-ciclodestrina (HPαCD) in un idrogel a base d'acqua.
Illustrazioni schematiche e foto di gel auto-rinforzato con pre-tacca sotto allungamento e rilascio. La cristallizzazione indotta da deformazione all'estremità della cricca impedisce la propagazione della cricca. Credito:Mayumi et al., Scienza (2021)
"Poiché gli idrogel sono costituiti da oltre il 50% di acqua, sono considerati altamente biocompatibili, essenziale per applicazioni mediche, " ha detto Mayumi. "La fase successiva della ricerca per noi è provare diverse disposizioni di molecole. Se possiamo semplificare le strutture che utilizziamo, quindi possiamo ridurre il costo dei materiali, il che aiuterà anche ad accelerarne l'adozione da parte dell'industria medica".
