I materiali stampabili in 3D possono curare il corpo, costruire robot più efficienti e recuperare minerali fondamentali
Una rete composta da miliardi di minuscole goccioline d’acqua può formare in pochi minuti materiali di grandi dimensioni simili a tessuti, aprendo nuove opportunità in una vasta gamma di settori
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Un nuovo tipo di materiale stampabile in 3D sviluppato dai ricercatori dell’Università del Texas ad Austin imita la capacità dei tessuti umani di selezionare e filtrare, consentendo il passaggio di determinate molecole e trattenendone altre. Questa ampia funzionalità significa che il materiale può essere utilizzato in una varietà di applicazioni nei settori della medicina, della gestione delle risorse idriche e della robotica.
Secondo i ricercatori, gli attuali metodi per la creazione di piccoli materiali simili ai tessuti non consentono di raggiungere dimensioni tali da renderne possibili le applicazioni. Il team ha superato questi problemi di velocità e scalabilità raggruppando strettamente miliardi di minuscole goccioline d’acqua utilizzando semplici tecniche di miscelazione e centrifugazione, per formare in pochi minuti materiali di grandi dimensioni simili ai tessuti. Ogni gocciolina è separata da una sottile membrana, il che permette alle membrane di collegarsi tra loro, in modo simile all’organizzazione cellulare nei tessuti umani.
«I tessuti sono in grado di separare e trasportare ioni e molecole; è così che funzionano i nostri reni o l’intestino, assorbendo solo ciò di cui hanno bisogno e scartando il resto», ha spiegato Manish Kumar, professore presso il Dipartimento Fariborz Maseeh di Ingegneria Civile, Architettonica e Ambientale e il Dipartimento McKetta di Ingegneria Chimica della Cockrell School of Engineering.
Il materiale flessibile può essere personalizzato per comportarsi come diversi tipi di tessuto. Poiché la struttura imita da vicino il tessuto reale e può essere stampata in 3D con materiali biocompatibili, può fungere da impalcatura per la crescita di nuovi tessuti o organi. La flessibilità e la reattività lo rendono una base ideale per i robot morbidi — macchine che si muovono e si adattano come creature viventi — che potrebbero essere impiegati in chirurgia, nelle operazioni di ricerca e soccorso o in ambienti pericolosi dove le macchine tradizionali non possono arrivare.
Aggiungendo determinate proteine, i ricercatori hanno conferito al materiale la capacità di condurre correnti ioniche, proprio come il tessuto nervoso. Ciò apre prospettive promettenti per la realizzazione di sistemi di calcolo ispirati al cervello umano.
In un altro caso, i ricercatori hanno aggiunto una proteina che ha permesso al tessuto di distinguere l’ammonio dagli altri ioni presenti nelle acque reflue. Ciò include l’acqua prodotta dall’estrazione di petrolio e gas e le acque reflue urbane, un’area su cui Kumar si è concentrato negli ultimi anni. La capacità di filtrare gli ioni indesiderati utilizzando membrane rappresenta un approccio promettente per il riciclaggio e il riutilizzo di ioni minerali e nutrienti fondamentali presenti nelle acque reflue.
Questa nuova ricerca fa parte di un percorso che si estende su oltre un decennio. Ma è stata una delle sue studentesse, Aida Fica, a mettere insieme tutti i pezzi.
Dopo anni passati ad affrontare le stesse difficoltà legate alla lentezza della formazione e all’instabilità, Fica ha sentito qualcosa durante una conferenza che le ha dato una nuova idea. Lei e il team hanno sbloccato la tecnologia attraverso l’emulsificazione, unendo due oli con solubilità diverse per formare goccioline, per poi agitarle insieme con una centrifuga.
«Questa tecnologia offre ora un processo semplice e scalabile con infinite applicazioni, che potrebbe essere implementato in qualsiasi laboratorio poiché richiede solo attrezzature di base», ha affermato Fica. «Incoraggiamo i ricercatori interessati a provarla e sosterremo con entusiasmo chiunque desideri lavorare in questo campo attraverso visite e discussioni», ha aggiunto Kumar.
I ricercatori stanno ora lavorando per adattare la tecnologia all’estrazione del litio e di altri elementi delle terre rare nell’ambito di un progetto con l’Agenzia per i Progetti di Ricerca Avanzata – Energia (ARPA-E) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Fica e Kumar hanno brevettato la tecnologia, nonché diverse applicazioni a valle, tramite l’ufficio “Discovery to Impact” dell’Università del Texas.
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