I ricercatori dell'Imperial College di Londra hanno creato blocchi 3D in grado di guarire se stessi in risposta ai danni.

I materiali viventi ingegnerizzati (ELM) sfruttano la capacità della biologia di guarire e ricostituire il materiale e potrebbero rispondere ai danni in ambienti difficili utilizzando un sistema di rilevamento e risposta.

Questo lavoro, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , potrebbe portare alla creazione di materiali del mondo reale che rilevano e curano i propri danni, come riparare una crepa in un parabrezza, uno strappo nella fusoliera di un aereo o una buca sulla strada. Integrando gli elementi costitutivi in ​​materiali da costruzione autorigeneranti, gli scienziati potrebbero ridurre la quantità di manutenzione necessaria e prolungare la vita e l'utilità di un materiale.

L'autore principale, il professor Tom Ellis del Dipartimento di Bioingegneria dell'Imperial afferma che "in passato abbiamo creato materiali viventi con sensori integrati in grado di rilevare segnali e cambiamenti ambientali. Ora abbiamo creato materiali viventi in grado di rilevare i danni e rispondere ad essi. guarendo se stessi".

Allo stesso modo in cui l'architettura utilizza pezzi modulari che possono essere assemblati in una varietà di strutture edilizie, questa ricerca dimostra che lo stesso principio può essere applicato alla progettazione e costruzione di materiali a base di cellulosa batterica.

Per creare gli ELM, i ricercatori hanno modificato geneticamente batteri chiamati Komagataeibacter rhaeticus per far produrre loro colture cellulari fluorescenti 3D a forma di sfera, conosciuti come sferoidi, e per fornire loro sensori che rilevano danni. Hanno organizzato gli sferoidi in diverse forme e modelli, dimostrando il potenziale degli sferoidi come elementi costitutivi modulari.

Hanno usato un perforatore per danneggiare uno spesso strato di cellulosa batterica, il materiale simile a un'impalcatura prodotto da alcuni batteri su cui vengono prodotti gli ELM. Hanno quindi inserito gli sferoidi appena cresciuti nei fori e, dopo averli incubati per tre giorni, ha visto un'ottima riparazione che era strutturalmente stabile e ha ripristinato la consistenza e l'aspetto del materiale.

Il professor Ellis afferma che "posizionando gli sferoidi nell'area danneggiata e incubando le colture, i blocchi sono stati in grado sia di percepire il danno che di far ricrescere il materiale per ripararlo."

Il primo autore, il dottor Joaquin Caro-Astorga del Dipartimento di Bioingegneria dell'Imperial afferma che la loro "scoperta apre un nuovo approccio in cui i materiali coltivati ​​possono essere utilizzati come moduli con funzioni diverse come nella costruzione. Stiamo attualmente lavorando per ospitare altri organismi viventi all'interno degli sferoidi che possono convivere con i batteri produttori di cellulosa.

"I possibili materiali viventi che ne possono derivare sono diversi:ad esempio, con cellule di lievito che secernono proteine ​​rilevanti dal punto di vista medico, potremmo generare film per la guarigione delle ferite in cui ormoni ed enzimi sono prodotti da un bendaggio per migliorare la riparazione della pelle".

La crescente popolarità della cellulosa batterica per le sue eccezionali proprietà è la risposta alla sfida mondiale di trovare nuovi materiali con comportamenti funzionali più personalizzati.

Dott. Patrick Rose, direttore scientifico dell'US Office of Naval Research Global London, che ha cofinanziato la ricerca, afferma che "la sfida è imitare e combinare le caratteristiche distinte che la biologia ha da offrire. Non stiamo solo cercando di emulare quei sistemi, ma ingegnerizzare la biologia per avere caratteristiche aggiuntive che siano più suscettibili ai bisogni che cerchiamo senza un intervento diretto. In definitiva, vogliamo aumentare la durata di un prodotto, prevenire i guasti dei sistemi prima che il problema sia visibile ad occhio nudo e lasciare che il materiale pensi da solo."

Il prossimo passo per questo gruppo di ricercatori è sviluppare nuovi blocchi da costruzione sferoidi con proprietà diverse, come abbinarli a materiali come il cotone, grafite e gelatine per creare disegni più complessi. Questo potrebbe portare a nuove applicazioni come filtri biologici, dispositivi elettronici impiantabili o cerotti biosensori medici.

"Sferoidi batterici di cellulosa come elementi costitutivi per materiali viventi 3D e modellati e per la rigenerazione" di Ellis et al., pubblicato il 19 agosto 2021 in Comunicazioni sulla natura .