Ispirati alla cellula: i ricercatori di Bayreuth sviluppano fibre sintetiche in grado di autoproteggersi
I chimici di Bayreuth utilizzano un complesso contenente zinco che, al di sopra dei 32 °C, si aggrega in modo reversibile formando strutture di dimensioni micrometriche
Annunci
I ricercatori dell’Università di Bayreuth, in collaborazione con i colleghi della Freie Universität di Berlino e dell’Istituto Leibniz per la ricerca sui polimeri di Dresda, hanno sviluppato un sistema di fibre sintetiche ispirato al citoscheletro cellulare, in grado di proteggersi grazie a un raggruppamento controllato. Questi risultati aprono nuove prospettive per materiali intelligenti e commutabili, le cui proprietà possono essere modificate intenzionalmente in risposta a uno stimolo specifico.
\--- Perché è importante
Le cellule viventi compiono un'impresa straordinaria: mantengono strutture delicate come il citoscheletro, tenute insieme solo da deboli interazioni intermolecolari, anche in condizioni avverse. Ciò è possibile grazie a un'organizzazione gerarchica e a un raggruppamento mirato. Le singole molecole proteiche costituiscono gli elementi costitutivi più piccoli, che si assemblano in filamenti. Più filamenti vengono poi raggruppati e uniti da proteine di reticolazione, creando strutture più stabili. Riprodurre questo principio nei polimeri sintetici potrebbe portare a nuovi materiali efficienti dal punto di vista delle risorse per applicazioni quali la stampa 3D, la sensoristica e l’optoelettronica, nonché la biotecnologia. \---
Per la prima volta, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Dr. Alex Plajer dell’Università di Bayreuth ha ricreato un sistema di fibre con ordine gerarchico e raggruppamento controllato in un sistema acquoso completamente sintetico. Il punto di partenza è una molecola planare contenente zinco legata a un polimero sensibile alla temperatura. In una soluzione acquosa diluita, questi elementi costitutivi si assemblano spontaneamente in nanofibre. È degno di nota il fatto che le molecole d’acqua stesse vengano incorporate come componenti strutturali delle nanofibre, anziché limitarsi a fungere da solvente.
Quando la temperatura supera i 32 °C, le nanofibre inizialmente indipendenti si raggruppano in strutture di dimensioni micrometriche. Lo stesso processo di raggruppamento può essere innescato anche da variazioni della concentrazione salina o della composizione del solvente. Invertendo lo stimolo corrispondente, ad esempio abbassando la temperatura o modificando la concentrazione salina o la composizione del solvente, i fasci si dissociano nuovamente. Il processo è quindi completamente reversibile.
Fondamentalmente, questa organizzazione di ordine superiore protegge gli elementi costitutivi altrimenti fragili, proprio come nel citoscheletro. Mentre le singole nanofibre si disgregano rapidamente in caso di diluizione, in condizioni acide o in presenza di attacchi chimici, le fibre raggruppate rimangono stabili. «Siamo persino riusciti a dimostrare una protezione selettiva delle fibre. In una miscela contenente fibre raggruppate e fibre non protette, sopravvivono solo le fibre che formano fasci, mentre le altre si disintegrano. Questo comportamento ricorda la compartimentazione selettiva osservata nelle cellule, dove all’interno dell’ambiente cellulare si formano regioni o organelli distinti», spiega Merlin Stühler, primo autore dello studio e dottorando nel gruppo di Alex Plajer.
Questo principio è emerso con particolare evidenza in un esperimento insolito. In seguito all’irradiazione con luce UV, il complesso di zinco si riscalda per effetto fototermico e mantiene le fibre nel loro stato protetto e raggruppato fintanto che la fonte luminosa fornisce energia. Una volta cessata l’irradiazione, i fasci si dissociano e gli elementi costitutivi si disintegrano in condizioni acide. «In questo modo, abbiamo creato un’analogia con i meccanismi utilizzati dai batteri resistenti agli acidi, che consumano attivamente energia per mantenere il proprio equilibrio interno in condizioni ostili», afferma Merlin Stühler. «Il nostro sistema sopravvive letteralmente solo finché viene fornita energia. Esiste quindi in uno stato lontano dall’equilibrio termodinamico, una caratteristica distintiva dei sistemi biologici».
Il raggruppamento gerarchico non solo migliora la stabilità delle fibre, ma è anche osservabile ad occhio nudo. Quando vengono riscaldate, le fibre formano un idrogel a concentrazioni circa 200 volte inferiori a quelle richieste in sistemi polimerici comparabili. Il raffreddamento inverte il processo, riportando il gel allo stato liquido. La gelificazione può essere innescata dall’irradiazione luminosa, mentre la temperatura di gelificazione può essere controllata contemporaneamente tramite la concentrazione salina o la composizione del solvente. Anche allo stato di idrogel, i componenti strutturali rimangono protetti dall’attacco acido e chimico.
«Al di là della consapevolezza fondamentale che i principi organizzativi biologici possano essere trasferiti a sistemi sintetici, intravediamo un chiaro potenziale applicativo per il nostro materiale. La sua gelificazione reversibile e ripetutamente sensibile agli stimoli a concentrazioni di materiale relativamente basse rende il sistema interessante per la stampa 3D, dove potrebbe fungere da resina di stampa riciclabile e ‘commutabile’”, conclude il Prof. Plajer. Il lavoro fornisce inoltre una nuova strategia di progettazione per la sensoristica e l’optoelettronica, grazie alle proprietà fotofisiche sensibili alla luce dell’elemento costitutivo contenente zinco, nonché per lo sviluppo di materiali più robusti e intelligenti nella nanotecnologia e nella biotecnologia.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
