In natura è comune trovare strutture che combinano materiale morbido e duro. Queste strutture sono responsabili di diverse proprietà meccaniche e funzioni dei sistemi biologici. Come esempio tipico, la colonna vertebrale umana possiede pile alternate di ossa dure e dischi intervertebrali molli, che è un’architettura essenziale che sostiene il corpo umano mantenendo la flessibilità del corpo. Imitare la struttura soft-hard in natura può, in linea di principio, ispirare la progettazione di materiali e dispositivi artificiali, come attuatori e robot. Tuttavia, la realizzazione è stata estremamente impegnativa, soprattutto su microscala, dove l’integrazione e la manipolazione del materiale diventano estremamente meno pratiche.
Con l’obiettivo di far progredire i materiali biomimetici in 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 sovrastrutture in microscala, chiamato MicroSpine, che possiede sia materiali morbidi che duri materiali che imitano la struttura della colonna vertebrale e possono agire come microattuatori con proprietà di trasformazione della forma. Questa svolta, pubblicata sulla rivista scientifica più importante I progressi della scienzaè stato ottenuto attraverso l’assemblaggio colloidale, un semplice processo 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 molli e duri sinergicamente integrati. Queste strutture esistono in diverse lunghezze, da micrometri a centimetri, e rappresentano le funzioni meccaniche caratteristiche 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-dure siano facili da fabbricare su macroscala (millimetrica 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 diversi limiti quando si tenta di creare componenti su piccola scala utilizzando strategie dall’alto verso il basso. Ad esempio, può verificarsi una bassa resa perché i processi di produzione su piccola scala sono più complessi e richiedono una 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 1/100 delle dimensioni di un capello umano e possono essere costituiti da vari materiali. Se opportunamente ingegnerizzate, 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 in microscala perché consente un controllo preciso sulla creazione delle strutture desiderate da vari blocchi costitutivi, con una resa maggiore. Tuttavia, la difficoltà è come guidare le particelle da assemblare alla struttura morbida-dura desiderata.
Utilizzando la spina dorsale come base per la progettazione, il team ha inventato nuove particelle derivate da strutture metallo-organiche (MOF), un materiale emergente che può essere assemblato 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 mediante 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 la sig.ra Dengping LYU, prima autrice dell’articolo, nonché dottoressa Candidato presso il Dipartimento di Chimica presso HKU.
Utilizzando il sistema MicroSpine, il team ha anche dimostrato varie modalità di attuazione precise quando le parti morbide della catena vengono modificate in modo selettivo. Inoltre, le catene sono state utilizzate per l’incapsulamento e il rilascio di oggetti ospiti, controllati esclusivamente dalla temperatura.
La realizzazione di queste funzioni è significativa per il futuro sviluppo del sistema, in quanto potrebbe portare alla creazione di microrobot intelligenti in grado di eseguire sofisticati compiti su microscala, come la somministrazione di farmaci, il rilevamento localizzato e altre applicazioni. I componenti in microscala altamente uniformi e strutturati con precisione potrebbero essere utilizzati per creare sistemi o sensori di rilascio di farmaci più efficaci in grado di rilevare molecole specifiche con elevata sensibilità e precisione.
Il team di ricerca ritiene che questa tecnologia rappresenti un passo importante verso la creazione di dispositivi e macchine complessi in microscala. Secondo il dott. Wang, ‘Se pensi ai macchinari moderni come le automobili, sono assemblati da decine di migliaia di parti diverse. Miriamo a raggiungere lo stesso livello di complessità utilizzando diverse parti colloidali.’ Traendo ispirazione dalla natura, il team di ricerca spera di progettare più sistemi biomimetici in grado di svolgere compiti complessi su microscala e oltre.
La ricerca è finanziata dal Research Grants Council (RGC).
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