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Polimero adattabile ispirato ai cetrioli di mare
Gli scienziati della Case Western University hanno realizzato un biopolimero che passa rapidamente da uno stato rigido a uno flessibile, utilizzando un materiale ispirato ai cetrioli di mare. Il nuovo materiale si ammorbidisce in presenza di un solvente a base d'acqua e si irrigidisce quando il solvente evapora. Christoph Weder, ricercatore capo e professore di scienze e ingegneria macromolecolare, afferma che tale materiale può essere utile nella progettazione di elettrodi impiantabili in grado di registrare l'attività cerebrale per lunghi periodi di tempo, con cicatrici minime rispetto agli elettrodi convenzionali.
Polimero intelligente: I cetrioli di mare hanno ispirato la progettazione di un nuovo nanocomposito che passa rapidamente da duro a morbido. Il nuovo materiale potrebbe trovare impiego nei microelettrodi neurali.
Una delle sfide che devono affrontare i ricercatori che sviluppano impianti neurali per aiutare i pazienti paralizzati è che gli elettrodi sono generalmente realizzati in metallo. Un materiale così fragile e rigido può causare danni ai tessuti nel tempo. (Vedi Pelle elettronica estensibile.) In effetti, in un paio di mesi, l'esterno duro dell'elettrodo sfrega contro la materia cerebrale morbida, causando la formazione di tessuto cicatriziale e riducendo significativamente la capacità di registrazione dell'elettrodo. Abbiamo bisogno di una nuova generazione di elettrodi diversi dai soliti elettrodi metallici che producono ogni tipo di danno dopo un po' e non funzionano più, afferma il professor Emilio Bizzi del MIT Institute, che non è stato coinvolto nello studio.
Per superare questo problema, Weder e i suoi colleghi hanno cercato materiali biocompatibili in grado di trasformarsi da stati rigidi a stati flessibili e hanno trovato un modello ideale nel cetriolo di mare. Mentre un cetriolo di mare si fa strada attraverso il fondo dell'oceano, la sua struttura flessibile lo rende facile da tamponare attraverso crepe e fessure. Al primo segno di pericolo, la sua pelle si irrigidisce, formando una rigida corazza contro probabili predatori. I ricercatori hanno scoperto che la pelle del cetriolo di mare è composta da una rete ultrasottile di fibre di cellulosa, o baffi. In modalità difensiva, le cellule circostanti rilasciano molecole che fanno sì che i baffi si leghino insieme, formando uno scudo rigido. In uno stato rilassato, altre cellule rilasciano proteine plastificanti, sciogliendo le fibre e rendendo la pelle flessibile.
Il team di Weder ha isolato le fibre di cellulosa rigida dai manti dei tunicati, creature marine con la pelle simile a quella dei cetrioli di mare. I ricercatori hanno quindi combinato le fibre con una miscela polimerica gommosa. Le fibre formavano una matrice uniforme dappertutto, rinforzando il materiale polimerico più morbido. Questi punti di intersezione tengono insieme la rete, creando un materiale inflessibile. È come una rete tridimensionale in cui queste nanofibre si sovrappongono in determinati punti e, ovunque si sovrappongano, si attaccano l'una all'altra, afferma Weder.
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Guarda il cetriolo di mare e i materiali che ha ispirato.
Dice che le fibre di cellulosa sono particolarmente brave a legarsi tra loro perché contengono molti gruppi ossidrile sulla loro superficie. In assenza di qualsiasi altra molecola contenente idrogeno, questi gruppi ossidrilici si uniscono, formando una rete fibrosa. Per rompere i legami delle fibre e allentare la rete, il team di Weder ha iniettato un solvente a base d'acqua nel materiale che conteneva gruppi di idrogeno competitivi. In risposta, le fibre di cellulosa si sono disaccoppiate mentre i loro gruppi di idrogeno si combinavano con la soluzione acquosa. In alternativa, mentre l'acqua evaporava dalla miscela, le fibre si ricongiungevano, diventando di nuovo rigide.
Nello stato rigido, il materiale è come una plastica dura e rigida, proprio come la custodia del tuo CD, dice Weder. Quando il materiale diventa morbido, è più simile a una gomma. Dice che se un tale materiale fosse utilizzato per progettare elettrodi neurali, potrebbe essere progettato per rispondere al fluido nel cervello, ammorbidendosi quando viene a contatto con il tessuto nervoso.
Bizzi del MIT afferma che un elettrodo così flessibile allungherebbe il tempo di registrazione all'interno del cervello che è possibile con gli impianti neurali e fornirebbe dati preziosi per il trattamento di condizioni come il morbo di Parkinson, la sindrome di Tourette e le lesioni del midollo spinale. Il campo ha bisogno di nuove tecnologie per consentire la registrazione per periodi di tempo più lunghi dal cervello, afferma Bizzi. Se funziona, sarebbe una manna dal cielo.
Nelle applicazioni degli elettrodi, il materiale dovrebbe trasformarsi solo una volta, da rigido a morbido, una volta all'interno del cervello. Weder afferma che il materiale a base di cellulosa può essere utilizzato per altre applicazioni che richiedono il passaggio da uno stato rigido a uno più morbido. Potresti pensare a un gesso intelligente, dove vorresti irrigidire il tuo gesso, ma ogni tanto vuoi ammorbidirlo in modo da poter muovere il braccio, dice Weder. Quindi, in quell'applicazione, vorresti un materiale reversibile.
Weder aggiunge che le fibre di cellulosa possono essere ottenute da fonti diverse dai cetrioli di mare, come legno e cotone, una strada che il suo team intende esplorare.