Una struttura a nanosfoglie d’argilla e polimeri intrecciati riproduce le proprietà della pelle umana
Un’équipe di ricerca dell’Università di Aalto (Finlandia) e dell’Università di Bayreuth (Germania) ha progettato un idrogel capace di conciliare tre caratteristiche chiave: resistenza, elasticità e auto-riparazione. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Materials, apre la strada allo sviluppo di materiali ispirati alla pelle umana, con possibili applicazioni in settori quali la medicina rigenerativa, la robotica morbida e la somministrazione di farmaci.
La pelle umana possiede la singolare combinazione di rigidità, flessibilità e capacità di autoripararsi spontaneamente in tempi relativamente brevi. Questa dote multifunzionale ha da tempo suscitato l’interesse dei ricercatori impegnati nella progettazione di gel artificiali. Tuttavia, le sperimentazioni precedenti hanno prodotto materiali che eccellevano solo in un aspetto: o erano resistenti ma incapaci di auto-ripararsi, oppure si rigeneravano ma mancavano di solidità.
L’innovazione del gruppo di ricerca risiede nell’adozione di nanosfoglie di argilla, sottili e di ampia estensione superficiale, che conferiscono all’idrogel proprietà meccaniche particolarmente avanzate. In un tipico idrogel, le catene polimeriche si distribuiscono in maniera disordinata, conferendo una consistenza morbida. Con l’aggiunta dei nanosheet, i polimeri si intrecciano più densamente, migliorando la robustezza complessiva e agevolando i processi di auto-riparazione.
Secondo i ricercatori, il processo di produzione comprende diversi passaggi. Chen Liang, ricercatore post-dottorato coinvolto nello studio, ha mescolato polvere di monomeri con acqua contenente i nanosheet di argilla. In un passaggio successivo, la miscela è stata esposta a radiazioni UV, analoghe a quelle utilizzate nella polimerizzazione di alcuni smalti in gel. Questo irraggiamento attiva la reazione chimica che converte i monomeri in polimeri, formando un gel solido. Il segreto è la “struttura a intreccio”: i polimeri si avvolgono in modo dinamico intorno alle nanosfoglie e a loro volta si collegano fittamente, offrendo simultaneamente forza meccanica e capacità di auto-riparazione.
Il fenomeno di autoriparazione si manifesta in tempi relativamente contenuti:
-Entro quattro ore: Il materiale risulta riparato all’80–90% della propria resistenza iniziale.
-Dopo 24 ore: Il recupero è di norma completo.
In termini di struttura, un campione di idrogel di un millimetro di spessore contiene circa 10.000 strati di nanosfoglie d’argilla, assicurando un grado di rigidità e flessibilità comparabile a quello della pelle. Questa combinazione di proprietà viene valutata attraverso test meccanici, come prove di trazione e di taglio, per verificare sia la tenuta del materiale sia la sua reattività di fronte a tagli o lesioni superficiali.
I ricercatori suggeriscono molteplici possibili impieghi di tale materiale. Tra i principali:
- Medicina rigenerativa: La capacità di auto-riparazione potrebbe favorire lo sviluppo di “pelli artificiali” da utilizzare nel trattamento di ustioni estese o di ferite croniche, offrendo un’alternativa ai materiali attualmente impiegati.
- Robotica morbida: In questo ambito, l’introduzione di materiali più elastici e durevoli può migliorare le performance di robot destinati a compiere movimenti delicati a contatto con l’uomo o in ambienti dinamici.
- Somministrazione di farmaci: L’elevato contenuto di acqua e la biocompatibilità del gel consentirebbero di utilizzarlo come veicolo per il rilascio controllato di principi attivi, specialmente in aree soggette a frequenti sollecitazioni meccaniche.
Lo studio evidenzia inoltre come la combinazione di robustezza e autoriparazione si basi su un meccanismo molecolare che consente ai polimeri di riformare legami chimici interrotti subito dopo un taglio o una lacerazione.
Secondo Hang Zhang, autore principale e ricercatore presso l’Università di Aalto, questo idrogel colma un vuoto nella scienza dei materiali, unendo caratteristiche a lungo considerate incompatibili in un singolo prodotto. Il professor Olli Ikkala, coautore dello studio, evidenzia come i tessuti biologici rappresentino spesso un modello per l’ingegneria dei materiali, stimolando la ricerca di combinazioni di proprietà che risultano difficili da riprodurre in laboratorio.
Malgrado le potenzialità, permangono alcuni ostacoli:
- Produzione su larga scala: Occorre valutare i costi e la fattibilità dell’approccio, nonché l’approvvigionamento delle nanosfoglie d’argilla.
- Verifica su lunga durata: È necessario stabilire se le capacità di auto-riparazione rimangano inalterate in contesti reali o dopo ripetuti cicli di danneggiamento.
- Compatibilità biologica avanzata: Sebbene il materiale sia definito biocompatibile, eventuali applicazioni mediche dovranno superare test approfonditi di sicurezza e stabilità.
L’idrogel elaborato dai ricercatori delle università di Aalto e Bayreuth rappresenta un significativo passo avanti nella sintesi di materiali bioispirati, integrando resistenza meccanica, elasticità e auto-riparazione in un unico prodotto. Oltre ad ampliare le prospettive in medicina rigenerativa, robotica e ingegneria dei materiali, la scoperta incide profondamente sulla scienza dei polimeri, dimostrando l’importanza di combinare tecniche tradizionali con l’utilizzo strategico di nanosheet e reazioni chimiche mirate. Nel prossimo futuro, ulteriori studi mireranno a ottimizzare il processo produttivo e a certificare il materiale per applicazioni cliniche o industriali, con l’obiettivo di introdurre sul mercato prodotti e dispositivi capaci di sfruttare le potenzialità di un gel paragonabile, in quanto a proprietà, alla pelle umana.
