(Phys.org) — I ricercatori guidati dagli scienziati della Case Western Reserve University si sono rivolti a un modello improbabile per rendere i dispositivi medici più sicuri e più comodi:il becco di un calamaro.

Molti impianti medici richiedono materiali duri che devono connettersi o passare attraverso i tessuti molli del corpo. Questa discrepanza meccanica porta a problemi come la rottura della pelle nei tubi di alimentazione addominale nei pazienti con ictus e dove i fili passano attraverso il torace per alimentare le pompe cardiache assistive. Entra il calamaro.

La punta del becco di un calamaro è più dura dei denti umani, ma la base è morbida come il corpo simile alla gelatina dell'animale. Al fine di collegare queste due parti meccanicamente dissimili del calamaro, una parte importante del becco ha un gradiente meccanico che funge da ammortizzatore in modo che l'animale possa mordere un pesce con forza schiacciante senza subire usura sulla sua bocca carnosa .

La tecnologia della natura potrebbe rendere una gamma di dispositivi medici più comodi e sicuri per i pazienti, dai sensori di glucosio per i diabetici alle braccia e gambe protesiche che si attaccano alle ossa degli amputati, dicono i ricercatori. Il loro lavoro è pubblicato oggi nel Giornale della Società Chimica Americana .

"Stiamo imitando l'architettura e le proprietà potenziate dall'acqua del calamaro per generare questi materiali, " ha detto Stuart J. Rowan, il Kent H. Smith professore di scienze e ingegneria macromolecolare alla Case Western Reserve, e autore anziano.

Rowan ha lavorato con lo studente di dottorato Justin D. Fox e l'assistente professore di ingegneria biomedica Jeffrey R. Capadona presso CWRU, e Paolo D. Marasco, chi, come Capadona, è ricercatore principale presso l'Advanced Platform Technology Center presso il Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center.

Altri ricercatori hanno dimostrato che la struttura del becco è un nanocomposito composto da una rete di fibre di chitina incorporate all'interno di proteine ​​strutturali sempre più reticolate dalla bocca alla punta. Il gradiente è presente quando il materiale del becco è asciutto, ma è notevolmente migliorata quando in acqua, l'ambiente naturale del calamaro.

Rowan e Capadona facevano parte di un team di ricercatori che in precedenza aveva segnalato un materiale che imita la pelle del cetriolo di mare, che è morbido e flessibile quando è bagnato e rigido e duro quando è asciutto.

Pensavano che il materiale, sotto forma di film, potrebbe essere reticolato con nanofibre per mantenere la rigidità quando è bagnato. Hanno riempito il film con nanocristalli di cellulosa funzionalizzati che, quando esposto alla luce, formare collegamenti incrociati.

Per aumentare la rigidità del film, un'estremità non era esposta alla luce e le sezioni successive a una luce sempre maggiore. Più lunga è l'esposizione, più legami incrociati che si formavano.

Proprio come il becco, il grado da morbido a duro era più ripido quando era bagnato. L'acqua disattiva i legami non covalenti più deboli che si formano quando il materiale è asciutto.

Anche l'ambiente umido all'interno del corpo migliorerà il gradiente, che rende questa tecnologia particolarmente interessante per gli impianti, dicono i ricercatori.

"Ci sono tutti i tipi di posti in medicina dove usiamo materiali duri ma siamo per lo più morbidi, " disse Marasco. Il contrasto è una ricetta per piaghe e infezioni, scarse prestazioni e fallimento dell'impianto.

Aghi nelle pompe per insulina dei diabetici, gli stent metallici inseriti nei vasi sanguigni e gli elettrodi inseriti nei muscoli o nel cervello potrebbero essere più sicuri ed efficaci se i materiali rimanessero duri dove dovrebbero essere, ma tampono i tessuti molli circostanti.

"Gli arti protesici sono collegati al braccio o alla gamba con una presa di plastica dura che si adatta al moncone, "Continuò Marasco. "Ma l'osso si muove sotto l'alveolo e può danneggiare i tessuti molli all'interno, mentre la presa può essere dura sulla pelle dove entra in contatto."

Una soluzione migliore, Egli ha detto, sarebbe eseguire un inserto metallico nell'osso all'interno del corpo e attaccare una protesi direttamente all'esterno del corpo utilizzando questo tipo di tampone meccanico in cui il metallo duro passa attraverso la pelle morbida.

I ricercatori stanno già lavorando alla prossima generazione di materiali e strategie di reticolazione per rendere più ripido il gradiente del buffer. La punta del becco di un calamaro è 100 volte più dura della sua parte più morbida, mentre la punta dura di questo primo mimic è cinque volte più dura della sua estremità morbida.

"Questa è una prova del concetto, " ha detto Rowan. "Ora che abbiamo mostrato che il concetto funziona, stiamo diventando un po' più complicati e stiamo prendendo di mira materiali che ci consentiranno di avvicinarci alle applicazioni".