I ricercatori della Tufts University School of Engineering e della Boston University hanno fabbricato e caratterizzato le prime strutture metamateriali di ampia area modellate su strutture impiantabili, substrati di seta biocompatibili.

La ricerca sulla rivista Materiale avanzato , fornisce un promettente percorso verso lo sviluppo di una nuova classe di biosensori e biorilevatori impiantabili ispirati ai metamateriali.

I metamateriali sono compositi elettromagnetici artificiali, tipicamente realizzati con metalli altamente conduttivi, le cui strutture rispondono alle onde elettromagnetiche in modi che gli atomi nei materiali naturali non fanno. I metamateriali più futuristici assorbirebbero tutta la luce, creare calore per distruggere il tessuto canceroso, o piegare completamente la luce attorno a un oggetto, rendere invisibile quell'oggetto, un piacere immaginario per gli appassionati di fantascienza o romanzi di spionaggio.

"Però, il vero potere dei metamateriali è la possibilità di costruire materiali con una risposta elettromagnetica progettata dall'utente a una frequenza target controllata con precisione. Questo apre le porte a nuovi comportamenti elettromagnetici come l'indice di rifrazione negativo, lente perfetta, assorbitori perfetti e mantelli dell'invisibilità, " spiega Ciuffi Professore di Ingegneria Biomedica Fiorenzo Omenetto, che ha guidato il gruppo di ricerca. Omenetto ricopre anche un incarico presso il Dipartimento di Fisica della Tufts School of Arts and Sciences.

Il team si è concentrato sui compositi di seta metamateriale che sono risonanti alla frequenza terahertz. Questa è la frequenza in cui molti agenti chimici e biologici mostrano "impronte digitali" uniche " che potrebbe essere potenzialmente utilizzato per il biosensore.

Le piccole antenne agiscono come una sola

I ricercatori hanno spruzzato strutture metamateriali a base d'oro direttamente su pellicole di seta prefabbricate con stencil microfabbricati utilizzando una tecnica di evaporazione con maschera d'ombra. Spruzzare il metamateriale sui film di seta flessibili ha creato un composito così flessibile da poter essere avvolto in piccoli, cilindri a forma di capsula.

I film di seta sono altamente trasparenti alle frequenze THz, quindi i compositi di seta metamateriale mostrano una forte risposta elettromagnetica risonante. Ogni campione fabbricato era di 1 centimetro quadrato e conteneva 10, 000 risonatori metamateriali con risposta risonante unica alle frequenze desiderate.

Secondo Fiorenzo Omenetto, il team di ricerca paragona il concetto a "un tipo molto particolare di antenna, in realtà, un sacco di piccole antenne che si comportano come una. Il composito metamateriale di seta è sensibile alle proprietà dielettriche del substrato di seta e può monitorare l'interazione tra la seta e l'ambiente locale. Per esempio, il metamateriale potrebbe segnalare cambiamenti in un substrato di seta bioreattivo che è stato drogato con proteine ​​o enzimi".

L'aggiunta di un substrato biologico puro come la seta al metamateriale dell'oro aggiunge immensa latitudine e opportunità per applicazioni impreviste, dice il professor Richard Averitt, uno dei collaboratori di Omenetto della Boston University ed esperto di metamateriali.

La risposta di risonanza potrebbe essere utilizzata come firma elettromagnetica impiantabile per agenti di contrasto o applicazioni di bio-tracking, dice il co-autore Hu Tao, un ex studente laureato della Boston University che ora è associato post-dottorato nel laboratorio di Omenetto.

Biorilevamento in situ

Per dimostrare il concetto, i ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti in vitro che hanno esaminato la risposta elettromagnetica dei metamateriali di seta quando impiantati sotto sottili fette di tessuto muscolare. Hanno scoperto che i metamateriali hanno mantenuto le loro nuove proprietà di risonanza durante l'impianto. Lo stesso processo potrebbe essere facilmente adattato per fabbricare metamateriali di seta ad altre frequenze, secondo Tao.

"Il nostro approccio offre grandi promesse per applicazioni come il biorilevamento in situ con dispositivi medici impiantati e la trasmissione di informazioni mediche dall'interno del corpo umano, " dice Omenetto. "Immagina i benefici del monitoraggio della velocità di somministrazione del farmaco da uno stent cardiaco a rilascio di farmaco, creando un perfetto assorbitore che può essere impiantato per attaccare i tessuti malati con il calore, o avvolgere un "mantello dell'invisibilità" attorno a un organo per esaminare il tessuto dietro di esso."