Un nuovo sviluppo di nanotecnologie da parte di un team di ricerca internazionale guidato da ricercatori dell'Università di Tel Aviv consentirà di generare correnti elettriche e tensioni all'interno del corpo umano attraverso l'attivazione di vari organi (forza meccanica). I ricercatori spiegano che lo sviluppo coinvolge un materiale biologico nuovo e molto forte, simile al collagene, che non è tossico e non provoca danni ai tessuti del corpo. I ricercatori ritengono che questa nuova nanotecnologia abbia molte potenziali applicazioni in medicina, compresa la raccolta di energia pulita per far funzionare i dispositivi impiantati nel corpo (come i pacemaker) attraverso i movimenti naturali del corpo, eliminando la necessità di batterie.

Lo studio è stato condotto dal Prof. Ehud Gazit della Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research presso la Wise Faculty of Life Sciences, il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Facoltà di Ingegneria di Fleischman e il Centro per le nanoscienze e le nanotecnologie, insieme al suo team di laboratorio, Il dottor Santu Bera e il dottor Wei Ji.

Allo studio hanno preso parte anche ricercatori del Weizmann Institute e un certo numero di istituti di ricerca in Irlanda, Cina e Australia. A seguito delle loro scoperte, i ricercatori hanno ricevuto due sovvenzioni ERC-POC volte a utilizzare la ricerca scientifica della sovvenzione ERC che Gazit aveva precedentemente vinto per la tecnologia applicata. La ricerca è stata pubblicata sulla prestigiosa rivista Comunicazioni sulla natura .

Prof. Gazit, che è anche direttore fondatore del Blavatnik Center for Drug Discovery, spiega:"Il collagene è la proteina più diffusa nel corpo umano, costituiscono circa il 30% di tutte le proteine ​​del nostro corpo. È un materiale biologico con una struttura elicoidale e una varietà di importanti proprietà fisiche, quali resistenza meccanica e flessibilità, che sono utili in molte applicazioni. Però, perché la stessa molecola di collagene è grande e complessa, i ricercatori sono da tempo alla ricerca di un minimalista, molecola corta e semplice che si basa sul collagene e presenta proprietà simili. Circa un anno e mezzo fa, nel diario Materiali della natura , il nostro gruppo ha pubblicato uno studio in cui abbiamo utilizzato mezzi nanotecnologici per progettare un nuovo materiale biologico che soddisfi questi requisiti. È un tripeptide—una molecola molto corta chiamata Hyp-Phe-Phe costituita da soli tre amminoacidi—capace di un semplice processo di autoassemblaggio per formare una struttura elicoidale simile al collagene che è flessibile e vanta una forza simile a quella di il titanio metallico. In questo studio, abbiamo cercato di esaminare se il nuovo materiale che abbiamo sviluppato ha un'altra caratteristica che caratterizza il collagene:la piezoelettricità. La piezoelettricità è la capacità di un materiale di generare correnti elettriche e tensione come risultato dell'applicazione di una forza meccanica, o vice versa, per creare una forza meccanica come risultato dell'esposizione a un campo elettrico."

Nello studio, i ricercatori hanno creato strutture nanometriche del materiale ingegnerizzato, e con l'ausilio di avanzati strumenti di nanotecnologia, applicata una pressione meccanica su di essi. L'esperimento ha rivelato che il materiale produce effettivamente correnti elettriche e tensione a causa della pressione. Inoltre, minuscole strutture di sole centinaia di nanometri hanno dimostrato uno dei più alti livelli di capacità piezoelettrica mai scoperti, paragonabile o superiore a quello dei materiali piezoelettrici comunemente presenti sul mercato odierno (la maggior parte dei quali contiene piombo e quindi non sono adatti per applicazioni mediche).

Secondo i ricercatori, la scoperta di piezoelettricità di questa portata in un materiale nanometrico è di grande significato, poiché dimostra la capacità del materiale ingegnerizzato di fungere da minuscolo motore per dispositivi molto piccoli. Prossimo, i ricercatori intendono applicare la cristallografia ei metodi computazionali della meccanica quantistica (teoria del funzionale della densità) al fine di ottenere una comprensione approfondita del comportamento piezoelettrico del materiale e quindi consentire l'ingegneria accurata dei cristalli per la costruzione di dispositivi biomedici.

Il prof. Gazit aggiunge:"La maggior parte dei materiali piezoelettrici che conosciamo oggi sono materiali tossici a base di piombo, o polimeri, il che significa che non sono rispettosi dell'ambiente e del corpo umano. Il nostro nuovo materiale, però, è completamente biologico, e quindi adatto per usi all'interno del corpo. Per esempio, un dispositivo realizzato con questo materiale può sostituire una batteria che fornisce energia a impianti come pacemaker, anche se dovrebbe essere sostituito di tanto in tanto. Movimenti del corpo, come battiti cardiaci, movimenti della mascella, movimenti intestinali, o qualsiasi altro movimento che si verifica regolarmente nel corpo, caricherà il dispositivo di elettricità, che attiverà continuamente l'impianto."

Ora, come parte della loro continua ricerca, i ricercatori stanno cercando di comprendere i meccanismi molecolari del materiale ingegnerizzato con l'obiettivo di realizzare il suo immenso potenziale e trasformare questa scoperta scientifica in tecnologia applicata. In questa fase, il focus è sullo sviluppo di dispositivi medici, ma il prof. Gazit sottolinea che "i materiali piezoelettrici rispettosi dell'ambiente, come quello che abbiamo sviluppato, hanno un enorme potenziale in una vasta gamma di aree perché producono energia verde utilizzando la forza meccanica che viene comunque utilizzata. Per esempio, un'auto che percorre la strada può accendere i lampioni. Questi materiali possono anche sostituire i materiali piezoelettrici contenenti piombo che sono attualmente in uso diffuso, ma ciò solleva preoccupazioni sulla dispersione di metalli tossici nell'ambiente".