Nuovi materiali dinamici ispirati alla bio si trasformano
Megan Fellman
Northwestern University
phys.org
SA DEFENZA
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| Micrografia elettronica a scansione che rivela sovrastrutture autoassemblate (regioni colorate) formate dalla sorprendente dinamica di molecole contenenti peptidi e segmenti di DNA. Le sovrastrutture sono incorporate in una matrice di filamenti peptidici. Credit: Mark McClendon e Ronit Freeman |
Gli scienziati sono alla ricerca di modi per sviluppare materiali dinamici come gli esseri viventi, con la possibilità di cambiare forma, spostare e modificare le proprietà in modo reversibile.
Ora, con la natura come fonte di ispirazione, gli scienziati della
Northwestern University hanno sviluppato
materiali morbidi che si
autoassemblano autonomamente in
sovrastrutture molecolari e smontano notevolmente a richiesta, cambiando le proprietà dei materiali e aprendo la porta a nuovi materiali e applicazioni che vanno dai sensori e robotica a nuovi sistemi di somministrazione di farmaci e strumenti per la rigenerazione dei tessuti.
I
nuovi materiali altamente dinamici formano
idrogel e hanno anche fornito indizi biologici inaspettati sul micro-ambiente cerebrale dopo una lesione o una malattia quando le loro sovrastrutture hanno rivelato
fenotipi reversibili nelle cellule cerebrali caratterizzate da tessuto cerebrale ferito o sano.
"Siamo abituati a pensare che i materiali abbiano un insieme statico di proprietà", ha detto Samuel I. Stupp, autore corrispondente del giornale. "Abbiamo dimostrato che siamo in grado di creare materiali sintetici altamente dinamici in grado di trasformarsi formando sovrastrutture e sono in grado di farlo in modo reversibile su richiesta, il che rappresenta una vera svolta con implicazioni profonde".
I risultati sono riportati (il 4 ottobre) sulla rivista
Science . Stupp è direttore del
Simpson Querrey Institute della Northwestern ed è il Board of Trustees, professore di scienze dei materiali e ingegneria, chimica, medicina e ingegneria biomedica.
Erik Luijten, professore e presidente della scienza dei materiali e scienze ingegneristiche e ingegneristiche e matematica applicata, è autore correlato.
Per creare il materiale, Stupp e il suo collega post dottorato
Ronit Freeman, ora professore associato presso l'
Università della Carolina del Nord,
Chapel Hill, hanno sviluppato alcune
molecole composte da peptidi (composti di aminoacidi) e altri composti da peptidi e
DNA. Quando messi insieme, questi due tipi di molecole sono riuniti per formare
filamenti nanometrici solubili in acqua.
Quando i filamenti contenenti sequenze di
DNA complementari che potevano formare doppie eliche erano mescolati, le molecole contenenti DNA progettate per creare doppie eliche "
saltarono fuori" dai loro filamenti per organizzare le uniche sovrastrutture complesse, lasciandosi dietro le molecole senza DNA per formare semplici filamenti.
Le sovrastrutture del DNA, contenenti milioni di molecole, sembravano fasci di filamenti contorti che raggiungevano le dimensioni dell'ordine dei micron in lunghezza e larghezza. Il materiale risultante era inizialmente un
idrogel morbido , che divenne meccanicamente più rigido con la formazione delle sovrastrutture. Le
strutture erano gerarchiche, nel senso che contenevano strutture ordinate a scale di dimensioni diverse. La natura le fa molto bene:
ossa, muscoli e legno sono materiali gerarchici, ma tali strutture sono state molto difficili da ottenere nei materiali sintetici.
Ancora meglio, i ricercatori hanno scoperto che quando aggiungevano una semplice molecola di
DNA che poteva distruggere
le doppie eliche che intercollegavano i filamenti nelle sovrastrutture, i fasci si erano disfatti e il materiale tornava alla sua semplice struttura iniziale e allo stato più morbido. Un altro tipo di molecola potrebbe quindi essere utilizzato per riformare i materiali più rigidi contenenti sovrastrutture. Quella sorta di reversibilità non era mai stata raggiunta prima.
Per capire meglio come questo processo ha funzionato, Stupp si è connesso con Luijten, uno scienziato computazionale dei materiali. Luijten, con il suo studente laureato Ming Han,
ha sviluppato simulazioni che hanno aiutato a spiegare i meccanismi di retro a come e perché i pacchi si sono formati e si sono intrecciati. In tali simulazioni, Han e Luijten potevano esaminare come ogni parte delle molecole progettate potesse governare la creazione delle sovrastrutture. Dopo un ampio calcolo - ogni calcolo ha richiesto settimane sul
supercomputer Quest della Northwestern -
hanno scoperto che le molecole non avevano bisogno di unire il DNA, ma potevano essere formate in linea di principio da molte altre coppie di molecole con strutture chimiche che interagiscono fortemente l'una con l'altra.
"
Sulla base della nostra comprensione del meccanismo, abbiamo previsto che solo le cariche positive e negative sulla superficie dei filamenti sarebbero state sufficienti", ha affermato Luijten. Ciò significava che tali sovrastrutture potevano essere create senza la presenza del DNA, in un materiale completamente sintetico.
Stupp e i suoi membri del laboratorio hanno quindi creato lo stesso materiale
usando solo peptidi anziché DNA. Quando i ricercatori hanno usato peptidi con cariche opposte in un'architettura specifica che imita la complementarità del DNA, hanno scoperto di essere auto-assemblati in sovrastrutture che erano anche reversibili quando le cariche venivano neutralizzate.
I
potenziali usi di questi materiali si espandono in medicina e oltre. Una complessa terapia con proteine, anticorpi, farmaci anche i geni potrebbe essere immagazzinata nelle sovrastrutture e rilasciata nel corpo su richiesta mentre le strutture gerarchiche scompaiono.
Gli scienziati potrebbero anche cercare nuovi materiali in cui le sovrastrutture reversibili portino a cambiamenti nelle proprietà elettroniche, ottiche o meccaniche, o persino l'emissione di colori e di luce, ha detto Stupp.
"Ora che sappiamo che questo è possibile, altri scienziati possono usare la loro immaginazione e progettare nuove molecole alla ricerca di questi nuovi materiali 'dinamici' che si riorganizzano internamente su richiesta per cambiare proprietà", ha detto.
I nuovi materiali hanno anche portato i ricercatori a una
scoperta biologica. Hanno preso gli astrociti - c
ellule nel cervello e nel midollo spinale associati ai neuroni - e li hanno posizionati sui nuovi materiali. Gli astrociti sono importanti perché quando il cervello o il midollo spinale sono feriti o malati, acquisiscono una forma specifica nota come "
fenotipo reattivo" e producono cicatrici che sono reti fibrose dense. Nel cervello sano, gli astrociti hanno un "
fenotipo ingenuo" e una forma diversa.
È interessante notare che,
quando i ricercatori hanno posizionato gli astrociti sul materiale con solo filamenti semplici, gli astrociti avevano un fenotipo ingenuo, ma quando le sovrastrutture si sono formate sono diventati reattivi. Sono poi tornati al fenotipo ingenuo quando la struttura gerarchica è stata smontata. Questa scoperta ha collegato l'
architettura del microambiente della cellula a questi cambiamenti critici del fenotipo nelle lesioni e nelle malattie del sistema nervoso centrale.
I biologi hanno recentemente scoperto che era
possibile riportare questi astrociti reattivi allo stato naïve trapiantandoli in soggetti sani che non hanno ferite, ma Stupp e i suoi collaboratori hanno scoperto che il nuovo materiale innesca queste trasformazioni del fenotipo nelle cellule cerebrali.
"La cellula ha risposto alla struttura del materiale nel suo ambiente", ha detto Stupp. "Ci dà nuove idee su come annullare le cicatrici nel cervello e nel midollo spinale feriti o malati ."
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