I ricercatori hanno sviluppato un nuovo idrogel che può guarire come la pelle
Nuove possibilità per applicazioni come il rilascio mirato di farmaci, la guarigione delle ferite, i sensori nella robotica morbida e la pelle artificiale
Nella vita di tutti i giorni ci imbattiamo continuamente nei gel, dalle sostanze morbide e appiccicose come il gel per capelli agli ingredienti gelatinosi degli alimenti. Anche la pelle umana ha proprietà simili al gel, ma possiede qualità uniche e difficili da imitare. Combina un'elevata resistenza con la flessibilità e un'impressionante capacità di auto-guarigione, spesso rigenerandosi completamente entro 24 ore da una lesione.
Finora, i gel artificiali sono stati in grado di replicare l'elevata rigidità o la capacità di auto-guarigione della pelle naturale, ma non entrambe le cose allo stesso tempo. Ora, per la prima volta, un team di ricercatori dell'Università di Aalto e dell'Università di Bayreuth è riuscito a sviluppare un idrogel con una struttura unica che supera queste precedenti limitazioni. Questo apre nuove possibilità per applicazioni come il rilascio mirato di farmaci, la guarigione delle ferite, i sensori nella robotica morbida e la pelle artificiale.
Nel loro studio innovativo, i ricercatori hanno inserito negli idrogel, che normalmente sono morbidi ed elastici, dei nanoscheletri di argilla speciale ultrasottili con diametri eccezionalmente grandi. Questi nanofogli sono stati sviluppati e prodotti dal Prof. Dr. Josef Breu dell'Università di Bayreuth. Il risultato è una struttura altamente ordinata con catene polimeriche strettamente intrecciate tra i nanosheet. Questo non solo migliora le proprietà meccaniche dell'idrogel, ma gli permette anche di guarire da solo.
Guarigione tramite "entanglement"
Il segreto del materiale non risiede solo nella disposizione ordinata dei nanoscheletri, ma anche nelle catene di polimeri che si intrecciano tra di loro, abbinate a un processo di produzione semplice come la cottura al forno. Chen Liang, ricercatore post-dottorato presso l'Università di Aalto, ha mescolato una polvere di monomeri con acqua contenente nanosheet. La miscela è stata poi posta sotto una lampada UV - simile alla polimerizzazione dello smalto per unghie in gel. "La radiazione UV della lampada fa sì che le singole molecole si leghino tra loro, creando un solido elastico - un gel", spiega Liang.
"L'entanglement significa che le sottili catene polimeriche si arrotolano l'una intorno all'altra come piccoli fili di lana per formare un gomitolo, ma in una disposizione casuale", aggiunge Hang Zhang della Aalto University. "Quando i polimeri sono completamente aggrovigliati, non è più possibile distinguere i singoli fili. A livello molecolare, sono estremamente dinamici e mobili. Se il materiale viene tagliato, i fili ricominciano a intrecciarsi".
Quattro ore dopo un taglio con un coltello, l'80-90% del materiale è già guarito. Dopo 24 ore, il materiale è di solito completamente riparato. Un film di idrogel dello spessore di un millimetro contiene circa 10.000 strati di nanosheets. Di conseguenza, il materiale è rigido come la pelle umana, ma ha un'elasticità e una flessibilità paragonabili.
"Gli idrogeli rigidi, forti e autorigeneranti rappresentano da tempo una sfida. Abbiamo scoperto un nuovo meccanismo per rinforzare gli idrogeli convenzionalmente morbidi. Questo potrebbe rivoluzionare lo sviluppo di nuovi materiali con proprietà bio-ispirate", afferma Zhang.
Ispirazione dalla natura
"Questo lavoro è un esempio entusiasmante di come i materiali biologici ci ispirino a scoprire nuove combinazioni di proprietà per i materiali sintetici", afferma Olli Ikkala della Aalto University. "Immaginate robot con una pelle robusta e autorigenerante o tessuti sintetici che si riparano da soli".
Anche se la strada per le applicazioni reali è ancora lunga, i risultati attuali rappresentano un passo avanti decisivo. "È una scoperta fondamentale che potrebbe cambiare radicalmente i principi della progettazione dei materiali".
La collaborazione di ricerca è stata guidata dal dottor Hang Zhang, dal professor Olli Ikkala e dal professor Josef Breu.
"La chiave dell'alta resistenza risiede nell'aggiunta di nanoschede di argilla ultra-larghe ma sottili, caratterizzate da un rigonfiamento estremamente uniforme in acqua. Per visualizzare il fenomeno su scala nanometrica: Si può paragonare a una pila di carta da stampante in cui i singoli fogli sono separati a una distanza uniforme di un millimetro. Il diametro delle sfere di polimero è correlato all'altezza della fessura risultante e sono quindi "bloccate" tra i fogli nanometrici, spiega Breu. L'attrito con i nanostrati racchiusi aumenta la resistenza.
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