Polimeri intelligenti a memoria di forma Polpi microscopici stampati in 3d con proprietà simili alla vita

Polpi microscopici da una stampante 3D
I polimeri intelligenti di nuova concezione hanno proprietà “simili alla vita”.

Sebbene a prima vista siano solo piccole creature carine, i microscopici gechi e polpi fabbricati dalla stampa laser 3D nei laboratori di ingegneria molecolare dell’Università di Heidelberg potrebbero aprire nuove opportunità in campi come la microrobotica o la biomedicina. Le microstrutture stampate sono realizzate con nuovi materiali, noti come polimeri intelligenti, le cui dimensioni e proprietà meccaniche possono essere regolate su richiesta e con elevata precisione. Queste m icrostrutture 3D “realistiche” sono state sviluppate nell’ambito del Cluster di eccellenza “3D Matter Made to Order” (3DMM2O), una collaborazione tra Ruperto Carola e il Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

“La produzione di materiali programmabili le cui proprietà meccaniche possono essere adattate su richiesta è altamente auspicabile per molte applicazioni”, afferma la professoressa junior Eva Blasco, capogruppo dell’Istituto di chimica organica e dell’Istituto di ingegneria dei sistemi molecolari e materiali avanzati dell’Università di Heidelberg. Questo concetto è noto come stampa 4D e la quarta dimensione aggiuntiva si riferisce alla capacità degli oggetti stampati tridimensionalmente di alterare le loro proprietà nel tempo. Un importante esempio di materiali per la stampa 4D sono i polimeri a memoria di forma: materiali intelligenti che possono tornare alla loro forma originale da uno stato deformato in risposta a uno stimolo esterno come la temperatura.

Il team guidato dal Prof. Blasco ha recentemente introdotto uno dei primi esempi di polimeri a memoria di forma stampati in 3D su microscala. In collaborazione con il gruppo di lavoro del biofisico Prof. Joachim Spatz, scienziato di Ruperto Carola e Direttore del Max Planck Institute for Medical Research, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo materiale a memoria di forma che può essere stampato in 3D ad alta risoluzione sia al macro e alla microscala. Le strutture prodotte comprendono microarchitetture a forma di scatola i cui coperchi si chiudono in risposta al calore e possono quindi essere riaperti. “Queste minuscole strutture mostrano proprietà di memoria di forma insolite a basse temperature di attivazione, il che è estremamente interessante per le bioapplicazioni”, spiega Christoph Spiegel, un ricercatore di dottorato nel gruppo di lavoro di Eva Blasco.

Utilizzando materiali adattivi, i ricercatori sono riusciti in uno studio di follow-up a produrre microstrutture 3D molto più complesse come gechi, polpi e persino girasoli con proprietà “simili alla vita”. Questi materiali sono basati su legami chimici dinamici. I ricercatori di Heidelberg riferiscono che le alcossiammine sono particolarmente adatte a questo scopo. Dopo il processo di stampa, questi legami dinamici consentono alle complesse strutture micrometriche di crescere di otto volte in poche ore e di indurirsi, mantenendo la loro forma. “Gli inchiostri convenzionali non offrono tali caratteristiche”, sottolinea il Prof. Blasco. “I materiali adattivi contenenti legami dinamici hanno un brillante futuro nel campo della stampa 3D”, aggiunge il chimico.

Anche gli scienziati dei materiali del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno partecipato alla ricerca sui materiali adattabili con proprietà “simili alla vita”. La Fondazione tedesca per la ricerca e la Fondazione Carl Zeiss hanno finanziato il lavoro, che è stato svolto nell’ambito del Cluster di Eccellenza 3DMM2O. I risultati sono stati pubblicati in due articoli sulla rivista “Advanced Functional Materials”.

Pubblicazioni originali:
CA Spiegel, M. Hackner, VP Bothe, JP Spatz, E. Blasco: 4D Printing of Shape Memory Polymers: From Macro to Micro. Materiali funzionali avanzati (6 febbraio 2022), https://doi.org/10.1002/adfm.202110580

Y. Jia, CA Spiegel, A. Welle, S. Heißler, E. Sedghamiz, M. Liu, W. Wenzel, M. Hackner, JP Spatz, M. Tsotsalas, E. Blasco: Microstrutture adattabili covalenti tramite la combinazione di due fotoni Stampa laser e chimica dell’alcossiammina: verso microstrutture 3D viventi. Materiali funzionali avanzati (22 settembre 2022), https://doi.org/10.1002/adfm.202207826