Un gruppo di ricerca tutto italiano, che ha coinvolto anche studiosi dell’Università di Bologna, ha ideato una molla composta da materiali di origine naturale in grado di contrarsi e torcersi al variare della temperatura e del livello di umidità. Queste strutture – presentate sulla rivista Advanced Funcional Materials – sono biocompatibili e potrebbero quindi essere utilizzate, ad esempio, come supporti intelligenti nel campo della medicina rigenerativa o come dispositivi per la chirurgia intestinale.
L’ispirazione è arrivata dal mondo vegetale, in particolare dai viticci di alcune piante – ad esempio la pianta di cetriolo – che sono in grado di avvitarsi e contrarsi in risposta alle variazioni delle condizioni ambientali. Una capacità di movimento che deriva dalle differenti proprietà dei tessuti che compongono questi piccoli organi di sostegno.
“Per realizzare queste molle a struttura elicoidale, simili ai viticci vegetali, è stato necessario ideare un dispositivo in grado di auto-trasformarsi al variare di una serie di stimoli esterni, come la temperatura e l’umidità”, spiega Davide Morselli, attualmente in forza al gruppo di ricerca coordinato dalla professoressa Paola Fabbri al Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali dell’Università di Bologna, tra gli autori dello studio. “Per farlo abbiamo utilizzato un sistema di stampa in 4D, che utilizza la tecnologia della manifattura adattiva per accoppiare in una struttura coassiale due materiali che hanno opposti coefficienti di dilatazione termica”.
La stampa 4D è un’innovativa tecnica di manifattura adattiva che alle caratteristiche degli oggetti stampati in 3D permette di aggiungere la quarta dimensione, quella del tempo: gli oggetti stampati in 4D sono così in grado di modificare autonomamente la loro forma. Per realizzarli, vengono utilizzati una serie di materiali avanzati che rispondono a stimoli esterni come la luce, l’umidità o il calore.
La nuova molla ideata dagli studiosi è stata realizzata grazie a questa nuova tecnologia accoppiando materiali polimerici ottenuti da fonti rinnovabili: da un lato seta rigenerata modificata con grafene e dall’altro un promettente biopoliestere caratterizzato da elevata biodegradabilità. Si tratta di materiali che hanno coefficienti di dilatazione termica opposti e questo permette alla molla di trasformare l’energia termica in una torsione meccanica. Non solo: se il calore permette alla molla di contrarsi, l’aumento dell’umidità porta invece ad un suo rilassamento.
Il dispositivo è biocompatibile: può quindi essere utilizzato in campo medico, con una serie di possibili applicazioni nel settore della medicina rigenerativa. Gli studiosi lo hanno testato con successo su un intestino artificiale, rilevando la capacità della molla di stimolare la proliferazione e differenziazione cellulare nelle cellule epiteliali intestinali.
“Ricerche di questo tipo sono in grado di coniugare l’utilizzo di tecnologie avanzate, come la stampa 4D, con le caratteristiche di sostenibilità e funzionalità offerte dalle moderne bioplastiche”, dice ancora Morselli. “È un approccio importante per connettere avanzamento scientifico e responsabilità nello sviluppo di nuovi materiali: in questo senso, per portare avanti ricerche così complesse, la collaborazione fra centri e gruppi di ricerca che offrono diverse competenze è fondamentale”.
Lo studio è stato finanziato dal Ministero della Ricerca e dell’Università nell’ambito del progetto PRIN2017 VISION, coordinato dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali dell’Università di Bologna. “Questo progetto di grande rilevanza nazionale sta offrendo un contributo molto importante allo sviluppo di nuovi materiali completamente ottenuti da fonti rinnovabili mediante approcci biotecnologici”, aggiunge il professor Fabio Fava, coordinatore nazionale del progetto VISION. “Si tratta di un esempio di integrazione sinergica di competenze, coniugate per dare un contributo tangibile alla transizione verso l’economia circolare”.
La ricerca è stata pubbliata sulla rivista Advanced Functional Materials con il titolo “Biomimetic Tendrils by Four Dimensional Printing Bimorph Springs with Torsion and Contraction Properties Based on Bio-Compatible Graphene/Silk Fibroin and Poly(3-Hydroxybutyrate-co-3-Hydroxyvalerate)”. Hanno partecipato studiosi dell’Università di Pisa, dell’Università degli Studi di Perugia e dell’Università degli Studi di Firenze, insieme a Davide Morselli, Micaela Degli Esposti e Paola Fabbri del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali dell’Università di Bologna.
