In natura è comune trovare strutture che combinano sia materiali morbidi che duri. Queste strutture sono responsabili di diverse proprietà meccaniche e funzioni dei sistemi biologici. Come tipico esempio, la colonna vertebrale umana possiede pile alternate di ossa dure e dischi intervertebrali morbidi, che costituiscono un'architettura essenziale che supporta il corpo umano mantenendo la flessibilità del corpo.
Imitare la struttura morbido-duro della natura può, in linea di principio, ispirare la progettazione di materiali e dispositivi artificiali, come attuatori e robot. Tuttavia, la realizzazione di queste strutture è stata estremamente impegnativa, soprattutto su microscala, dove l'integrazione e la manipolazione dei materiali diventano estremamente meno pratiche.
Con l'obiettivo di far progredire i materiali biomimetici su microscala, il gruppo di ricerca guidato dal dottor Yufeng Wang del Dipartimento di Chimica dell'Università di Hong Kong (HKU) ha sviluppato un nuovo metodo per creare superstrutture su microscala, chiamate MicroSpine, che possiedono sia morbide che materiali duri che imitano la struttura della colonna vertebrale e possono agire come microattuatori con proprietà di trasformazione della forma. Questa svolta, pubblicata su Science Advances , è stato ottenuto attraverso l'assemblaggio colloidale, un processo semplice in cui nano e microparticelle si organizzano spontaneamente in schemi spaziali ordinati.
Molti organismi biologici, dai mammiferi agli artropodi e ai microrganismi, contengono strutture di componenti morbidi e duri sinergicamente integrati. Queste strutture esistono in diverse lunghezze, dai micrometri ai centimetri, e rappresentano le caratteristiche funzioni meccaniche dei sistemi biologici. Hanno anche stimolato la creazione di materiali e dispositivi artificiali, come attuatori e robot, che cambiano forma, si muovono o si attivano in base a segnali esterni.
Sebbene le strutture morbido-duro siano facili da fabbricare su macroscala (millimetro e superiore), sono molto più difficili da realizzare su microscala (micrometrica e inferiore). Questo perché diventa sempre più difficile integrare e manipolare componenti meccanicamente distinti su scala ridotta. I metodi di produzione tradizionali, come la litografia, devono affrontare diverse limitazioni quando si tenta di creare componenti su piccola scala utilizzando strategie top-down. Ad esempio, può verificarsi un basso rendimento perché i processi di produzione su piccola scala sono più complessi e richiedono maggiore precisione, il che può aumentare il rischio di difetti ed errori nel prodotto finale.
Per affrontare la sfida, il dottor Wang e il suo team hanno adottato un approccio diverso, chiamato assemblaggio colloidale. I colloidi sono minuscole particelle grandi 1/100 dei capelli umani e possono essere costituiti da vari materiali. Se adeguatamente progettate, le particelle possono interagire tra loro, assemblandosi spontaneamente in sovrastrutture ordinate.
Come metodo dal basso verso l'alto, l'assemblaggio colloidale è vantaggioso per realizzare strutture su microscala perché consente un controllo preciso sulla creazione delle strutture desiderate da vari elementi costitutivi, possedendo una resa più elevata. Tuttavia, la difficoltà è come guidare le particelle affinché si assemblano nella struttura morbida-dura desiderata.
Utilizzando la colonna vertebrale come base per la progettazione, il team ha inventato nuove particelle derivate da strutture metallo-organiche (MOF), un materiale emergente che può assemblarsi con elevata direzionalità e specificità. Essendo anche il componente duro, queste particelle MOF possono combinarsi con goccioline liquide morbide per formare catene lineari. I componenti duri e morbidi assumono posizioni alternate nella catena, imitando la struttura della colonna vertebrale, ovvero la MicroSpine.
"Introduciamo anche un meccanismo attraverso il quale la componente morbida della catena può espandersi e restringersi quando MicroSpine viene riscaldata o raffreddata, in modo che possa cambiare forma in modo reversibile", ha spiegato Dengping Lyu, il primo autore dell'articolo, nonché Ph. D. Candidato al Dipartimento di Chimica della HKU.
Utilizzando il sistema MicroSpine, il team ha anche dimostrato varie modalità di attuazione precise quando le parti molli della catena vengono modificate selettivamente. Inoltre, le catene sono state utilizzate per l'incapsulamento e il rilascio degli oggetti ospiti, controllati esclusivamente dalla temperatura.
La realizzazione di queste funzioni è significativa per lo sviluppo futuro del sistema, poiché potrebbe portare alla creazione di microrobot intelligenti in grado di eseguire compiti sofisticati su microscala, come la somministrazione di farmaci, il rilevamento localizzato e altre applicazioni. I componenti su microscala altamente uniformi e strutturati con precisione potrebbero essere utilizzati per creare sistemi o sensori di somministrazione di farmaci più efficaci in grado di rilevare molecole specifiche con elevata sensibilità e precisione.
Il gruppo di ricerca ritiene che questa tecnologia rappresenti un passo importante verso la creazione di dispositivi e macchine complessi su microscala. Secondo il dottor Wang, "Se si pensa ai macchinari moderni come le automobili, questi sono assemblati da decine di migliaia di parti diverse. Puntiamo a raggiungere lo stesso livello di complessità utilizzando diverse parti colloidali". Prendendo ispirazione dalla natura, il team di ricerca spera di progettare più sistemi biomimetici in grado di svolgere compiti complessi su scala microscopica e oltre.
Ulteriori informazioni: Dengping Lyu et al, Superstrutture termoreattive biomimetiche mediante coassemblaggio colloidale morbido e duro, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh2250
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università di Hong Kong
