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Il materiale bioinspirato può "Shape-Shift" alle forze esterne

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Ispirati da come le ossa umane e le barriere coralline colorate regolano i depositi minerali in risposta all'ambiente circostante, i ricercatori della Johns Hopkins hanno creato un materiale autoadattante che può cambiare la sua rigidità in risposta alla forza applicata.

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Secondo i ricercatori, lo sviluppo potrebbe portare a materiali che possono auto-rinforzarsi per prepararsi ad un aumento della forza o per fermare ulteriori danni in applicazioni dentali e altre applicazioni oltre a quelle sanitarie.

"Immaginate un impianto osseo o un ponte in grado di auto-rinforzarsi dove viene applicata una forza elevata senza ispezione e manutenzione. Permetterà impianti e ponti più sicuri con complicazioni, costi e tempi di inattività minimi", ha detto Sung Hoon Kang, PhD, professore assistente del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Hopkins Extreme Materials Institute e Institute for NanoBioTechnology della Johns Hopkins University e autore senior dello studio.

Altri ricercatori hanno cercato di creare materiali sintetici simili, anche se è stata una sfida perché sono difficili e costosi da creare. Oppure, richiedono una manutenzione attiva quando vengono creati e sono limitati nella quantità di stress che possono sopportare. Materiali con proprietà adattabili come il legno e l'osso possono fornire strutture più sicure, risparmiare denaro e risorse e ridurre l'impatto ambientale dannoso, hanno detto i ricercatori

I materiali naturali possono autoregolarsi utilizzando le risorse dell'ambiente circostante. Per esempio, hanno detto i ricercatori, le ossa usano i segnali delle cellule per controllare l'aggiunta o la rimozione dei minerali presi dal sangue che le circonda. Con questi materiali naturali in mente, i ricercatori hanno cercato di creare un sistema di materiali che potesse aggiungere minerali in risposta allo stress applicato

I ricercatori hanno iniziato ad utilizzare materiali in grado di convertire le forze meccaniche in cariche elettriche come impalcature, o strutture di supporto, che possono creare cariche proporzionali alla forza esterna posta su di esse. La loro speranza era che queste cariche potessero servire come segnali per avviare la mineralizzazione dei materiali a partire dagli ioni minerali presenti nell'ambiente.

Successivamente, i ricercatori hanno immerso pellicole polimeriche di questi minerali in un fluido corporeo simulato che imita le concentrazioni ioniche del plasma sanguigno umano. Dopo che i materiali incubati nel fluido corporeo simulato, i minerali hanno iniziato a formarsi sulle superfici. I ricercatori hanno anche scoperto che potevano controllare i tipi di minerali formati controllando la composizione ionica del fluido.

Poi, i ricercatori hanno installato un fagiolo ancorato ad un'estremità per aumentare gradualmente lo stress da un'estremità all'altra dei materiali e hanno scoperto che le regioni con più stress avevano un maggiore accumulo di minerali. L'altezza del minerale era proporzionale alla radice quadrata della sollecitazione applicata.

I loro metodi, hanno detto i ricercatori, sono semplici e a basso costo, e non richiedono energia extra.

"Le nostre scoperte possono aprire la strada a una nuova classe di materiali auto-rigeneranti che possono auto-rinforzare le aree danneggiate", ha detto Kang, che spera che questi materiali possano un giorno essere usati come impalcature per accelerare il trattamento di malattie o fratture legate alle ossa, resine intelligenti per trattamenti dentali, o applicazioni simili

Inoltre, hanno detto i ricercatori, questi risultati contribuiscono alla comprensione degli scienziati dei materiali dinamici e di come funziona la mineralizzazione, che potrebbe far luce sugli ambienti ideali necessari per la rigenerazione ossea