Un materiale che si addensa quando lo si tira sembra contraddire le leggi della fisica. Però, il cosiddetto effetto auxetico, che si trova anche in natura, è interessante per una serie di applicazioni. Un nuovo studio dell'Empa recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura mostra come questo straordinario comportamento può essere migliorato e persino utilizzato per trattare lesioni e danni ai tessuti.

La natura ci mostra come farlo:un vitello che succhia il latte dalla mammella di una mucca madre utilizza un'affascinante proprietà fisica del capezzolo, che consiste in un tessuto auxetico. Paradossalmente, tali tessuti non si restringono sotto tensione, come un elastico, ma più ampio, trasversale alla direzione di trazione. Perciò, il latte di mucca può fluire senza ostacoli attraverso il capezzolo. Gli scienziati dell'Empa hanno ora dimostrato le sorprendenti proprietà auxetiche delle membrane in nanofibra sviluppate appositamente per questo scopo. Lo studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura indica una vasta gamma di applicazioni per materiali auxetici, compreso l'uso di membrane auxetiche per rigenerare il tessuto umano dopo lesioni.

Le lesioni cutanee o i danni ai tessuti degli organi interni guariscono da, tra l'altro, cellule in migrazione che si depositano e formano un tessuto sostitutivo sano. Cosa si fa di solito senza ulteriori indugi in caso di, dire, una piccola incisione nel polpastrello può superare le possibilità del corpo umano, ad esempio, quando si verificano ferite complesse, come ustioni, o quando è necessaria una rigenerazione tissutale più diffusa.

Però, la rigenerazione dei tessuti può essere facilitata:se viene fornita un'impalcatura adatta, le cellule desiderate si sistemano più facilmente e crescono lungo la struttura predefinita. I ricercatori dell'Empa del laboratorio Biomimetic Membranes and Textiles di San Gallo hanno ora sviluppato nuovi sistemi di matrici con proprietà auxetiche. Per elettrofilatura, i polimeri disciolti vengono filati come filamenti sottilissimi in una forma simile alla matrice extracellulare umana. Ciò consente di produrre membrane multistrato da nanofibre che sono biocompatibili e possono essere impiantate nel corpo umano. "Se nel processo di filatura vengono utilizzati biopolimeri come gli acidi polilattici, le membrane possono anche essere degradate dal corpo, " spiega il ricercatore Empa Giuseppino Fortunato. Inoltre, sostanze bioattive o farmaci possono essere incorporati nelle fibre per un rilascio controllato e ridotto al minimo.

Dimensione attraente dei pori

Una delle sfide finora è stata quella di rendere la dimensione dei pori nella membrana filata il più attraente possibile per l'adesione delle cellule del corpo desiderate. Nelle membrane originali, i fili di polimero formavano solo minuscoli pori di pochi micrometri. Con i suoi 20 micrometri, però, una cellula tissutale che deve colonizzare l'impalcatura è troppo grande per adattarsi perfettamente alla membrana.

Dopo che i ricercatori hanno ottimizzato i parametri di filatura, è stato possibile produrre una rete polimerica con proprietà sorprendenti:quando la membrana è stata esposta a lievi forze di trazione, allungandolo di circa il 10 percento, invece di diventare più sottile il materiale è aumentato di circa 5 volte in volume e anche 10 volte in spessore. "Un effetto auxetico di questa portata è quasi un record mondiale, " si entusiasma Alexander Ehret del laboratorio Experimental Continuum Mechanics dell'Empa. Ehret e il suo team avevano prima previsto lo straordinario effetto utilizzando la modellazione meccanica e lo avevano simulato al computer prima di analizzare sperimentalmente i campioni di membrana. "Abbiamo eseguito le simulazioni al computer diverse volte perché i risultati erano così sorprendente, " dice Ehret. L'effetto auxetico, che può essere quantificato matematicamente dal rapporto tra deformazione trasversale e longitudinale - il rapporto di Poisson -, è caratterizzato da valori negativi per il coefficiente di Poisson. "Finora, sono stati raggiunti valori intorno a -20. I nostri risultati erano ben al di sotto di -100, "dice l'esperto di biomeccanica.

E infatti:nelle prove di trazione, le membrane polimeriche si sono comportate come simulate al computer. L'effetto può essere spiegato dalle fibre che si riallineano sotto tensione e quindi esercitano una pressione sui loro colleghi trasversali nella rete. A seconda della loro lunghezza e spessore, le fibre sotto pressione sono costrette a piegarsi verso l'alto o verso il basso e quindi portare ad un aumento di volume.

Espandi su richiesta

Fondamentalmente, le membrane elettrofilate sono adatte per il trattamento di ferite e danni ai tessuti in luoghi diversi come sulla pelle, nei vasi sanguigni e negli organi interni o anche nelle lesioni ossee. Una selezione appropriata di polimeri e parametri di filatura ottimizzati consentono di adattare la membrana polimerica alle proprietà del tessuto bersaglio. "Grazie al maggior volume dovuto all'effetto auxetico, le strutture della matrice sono ora ancora più attraenti per le cellule del corpo e potrebbero facilitare il processo di guarigione, "dice Giuseppe Fortunato.

Oltre al suo uso in biomedicina, il concetto, che è già in attesa di brevetto, può essere applicato anche in numerosi altri settori. Secondo i ricercatori, membrane che possono essere attivate dallo stress per rilasciare particelle racchiuse, filtri regolabili o materiale di riempimento che si espande fino al volume finale solo nel punto di utilizzo, vale a dire quasi "espandere su richiesta, " sono potenziali applicazioni future.

La struttura delle nanofibre

La struttura interna delle singole nanofibre ha una grande influenza sulle proprietà delle membrane. Se le nanofibre vengono trattate con determinati solventi, la struttura delle nanofibre può essere chiarita. Il ricercatore dell'Empa Alexandre Morel ha ora scoperto che la variazione dei parametri di filatura si traduce in diverse strutture delle fibre, come fasi fibrillari o shish kebab. Nel microscopio elettronico le strutture dello shish kebab appaiono come strati sovrapposti che ricordano uno spiedo di kebab. Hanno una grande influenza sulle proprietà meccaniche delle membrane e quindi anche sull'effetto auxetico.