I RICERCATORI SFRUTTANO IL RARO MINERALE DI FERRO TROVATO NEI DENTI DI MOLLUSCO “POLPETTONE ERRANTE” PER I BIOINCHIOSTRI DI STAMPA 3D
I ricercatori della Northwestern University hanno scoperto un raro tipo di minerale di ferro nei denti dei molluschi che in precedenza era stato osservato solo nelle rocce.
Il minerale, Santabarbaraite, è stato trovato nello stilo – una struttura lunga e cava che collega un dente a una membrana morbida – in un mollusco Cryptochiton stelleri, noto anche come mollusco “polpettone errante” per il suo colore bruno-rossastro, la forma e dimensione.
I ricercatori hanno sfruttato la scoperta per sviluppare bioinchiostri adatti alla stampa 3D che imitano la forza, la rigidità e le proprietà connettive dello stilo del mollusco.
“Questo minerale è stato osservato solo in campioni geologici in quantità molto piccole e non è mai stato visto prima in un contesto biologico”, ha affermato Derk Joester, autore senior dello studio e professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern .
“HA UN ALTO CONTENUTO DI ACQUA, CHE LO RENDE FORTE CON UNA BASSA DENSITÀ. PENSIAMO CHE QUESTO POTREBBE INDURIRE I DENTI SENZA AGGIUNGERE MOLTO PESO”.
Il mollusco “polpettone errante”
Soprannominato il “polpettone errante” per il suo colore bruno-rossastro e il corpo che può crescere fino a 14 pollici di lunghezza, il mollusco Cryptochiton stelleri è anche indicato come il chitone gigante del Pacifico e il chitone gigante degli stivali di gomma.
Secondo quanto riferito, i denti di chitone sono costituiti da uno dei materiali più duri conosciuti in natura, progettati per resistere alla masticazione delle rocce per nutrirsi. I denti di chitone sono attaccati a una radula morbida, flessibile e simile a una lingua che raschia le rocce per raccogliere alghe e altro cibo.
I ricercatori erano particolarmente interessati allo stilo, che collega il dente ultraduro alla radula morbida, e credono che ci sia molto da imparare da questo materiale naturale.
“Lo stilo è come la radice di un dente umano, che collega la cuspide del nostro dente alla nostra mascella”, ha detto Joester. “È un materiale duro composto da nanoparticelle estremamente piccole in una matrice fibrosa composta da biomacromolecole, simili alle ossa del nostro corpo”.
Per esaminare un dente da un Cryptochiton stelleri, i ricercatori hanno utilizzato le capacità di spettroscopia Mössbauer di sincrotrone presso l’ Advanced Photon Source dell’Argonne National Laboratory e hanno sfruttato la microscopia elettronica a trasmissione presso l’ Atomic and Nanoscale Characterization and Experiment (NUANCE) Center della Northwestern .
Attraverso questo, hanno trovato la santabarbaraite dispersa nello stilo superiore del chitone, un raro minerale di ferro che fino ad ora è stato osservato solo nelle rocce.
Rendering di una sezione virtuale di una singola testa di dente e stilo superiore, generata da una ricostruzione 3D determinata mediante tomografia microcomputerizzata di sincrotrone. Immagine tramite la Northwestern University
Sfruttare santabarbaraite per la stampa 3D
Dopo aver scoperto il raro minerale nello stilo del chitone, i ricercatori hanno iniziato a ricreare il materiale in un bioinchiostro progettato per la stampa 3D. Hanno combinato ioni ferro e fosfato con un biopolimero derivato dal chitone per creare un inchiostro reattivo che “stampava bene” se miscelato immediatamente prima della stampa.
“Man mano che le nanoparticelle si formano nel biopolimero, diventa più forte e più viscoso”, ha affermato Joester. “Questa miscela può quindi essere facilmente utilizzata per la stampa. La successiva essiccazione all’aria porta al materiale finale duro e rigido.”
La capacità di replicare la forza, la rigidità e le proprietà di connettività dello stilo del chitone tramite lo sviluppo di bioink e la stampa 3D è promettente per l’apprendimento futuro e lo sviluppo di materiali ispirati alla natura, ritiene Joester.
“Siamo stati affascinati dal chitone per molto tempo”, ha detto. “Le strutture meccaniche sono buone solo quanto il loro anello più debole, quindi è interessante sapere come il chitone risolve il problema ingegneristico di come collegare il suo dente ultraduro a una struttura sottostante morbida.
“Questa rimane una sfida significativa nella produzione moderna, quindi guardiamo a organismi come il chitone per capire come questo viene fatto in natura, che ha avuto un paio di centinaia di milioni di anni di tempo per svilupparsi”.
Maggiori informazioni sullo studio possono essere trovate nel documento intitolato “Persistent polyamorphism in the chiton tooth: From a new biomaterial to inks for additive manufacturing” , che sarà pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences alla fine di questa settimana.
