I ricercatori sviluppano materiale stampabile in 3D che imita i tessuti biologici
I tessuti biologici si sono evoluti nel corso dei millenni per essere perfettamente ottimizzati per le loro funzioni specifiche. Prendi la cartilagine come esempio. È un tessuto elastico e flessibile che è abbastanza morbido da attutire le articolazioni, ma abbastanza forte da resistere alla compressione e sopportare il carico sostanziale del nostro corpo: la chiave per correre, saltare e per la nostra usura quotidiana.
Creare sostituti sintetici che corrispondano veramente alle proprietà e ai comportamenti dei tessuti biologici non è stato facile. Ma gli scienziati dell’Università del Colorado Denver, guidati dal professore di ingegnere meccanico Chris Yakacki, PhD, sono i primi a stampare in 3D una struttura reticolare complessa e porosa utilizzando elastomeri a cristalli liquidi (LCE) creando dispositivi che possono finalmente imitare la cartilagine e altri tessuti biologici.
Il team della CU Denver, tra cui il professor Kai Yu, PhD, il borsista post-dottorato Devesh Mistry, PhD e lo studente di dottorato Nicholas Traugutt, nonché scienziati della Southern University of Science and Technology in Cina, hanno riportato i suoi risultati questa settimana sulla rivista Advanced Materials .
Rivoluzione nella produzione di LCE
Yakacki, che lavora presso il laboratorio Smart Materials and Biomechanics (SMAB) di CU Denver, ha iniziato a lavorare con LCE nel 2012. I materiali morbidi e multifunzionali sono noti per la loro elasticità e la straordinaria capacità di dissipare alta energia. Nel 2018, Yakacki ha ricevuto un premio NSF CAREER per rivoluzionare la producibilità degli LCE e diversi round di finanziamento per svilupparli come ammortizzatori per caschi da calcio. Anche allora, sapeva che le sue applicazioni potevano andare oltre.
“Tutti hanno sentito parlare di cristalli liquidi perché li fissi sul display del telefono”, dice Yakacki. “E probabilmente hai sentito parlare di polimeri a cristalli liquidi perché è esattamente quello che è il Kevlar. La nostra sfida era trasformarli in polimeri morbidi, come gli elastomeri, per usarli come ammortizzatori. È allora che scendi gli strati di complessità.”
Gli LCE sono difficili da manipolare. Fino ad ora, la maggior parte dei ricercatori poteva creare oggetti di grandi dimensioni con dettagli minimi o dettagli elevati in strutture praticamente microscopiche. Ma come per gli schermi dei telefoni, i grandi dispositivi ad alta risoluzione sono il futuro. I prodotti chimici e il processo di stampa di Yakacki e del suo team hanno ridotto la difficoltà quasi a zero.
Brilla una luce sulla resina simile al miele
Per il loro studio, Yakacki e il suo team hanno esplorato un processo di stampa 3D chiamato DLP (digital light processing). Il team ha sviluppato una resina LC simile al miele che, se colpita dalla luce ultravioletta, polimerizza, formando nuovi legami in una successione di sottili strati di fotopolimero. La resina polimerizzata finale forma un elastomero morbido, resistente e cedevole. Quando viene stampato in strutture reticolari – livelli di modellatura simili a un nido d’ape – è allora che ha iniziato a imitare la cartilagine.
Il gruppo ha stampato diverse strutture, tra cui un minuscolo e dettagliato fiore di loto e un prototipo di una gabbia per la fusione spinale, creando il più grande dispositivo LCE con il maggior numero di dettagli. La combinazione della resina e del processo di stampa ha portato anche a una dipendenza dalla velocità 12 volte maggiore e una dissipazione di energia di deformazione fino a 27 volte maggiore rispetto a quelle stampate da una resina elastomerica fotoinduribile disponibile in commercio.
Dai caschi da football alla colonna vertebrale
Andando avanti, le strutture hanno diverse applicazioni, come la schiuma per caschi da football che assorbe gli urti o anche piccoli impianti biomedicali per le dita dei piedi. Yakacki è molto entusiasta delle sue possibilità nella colonna vertebrale.
Prototipo di gabbia spinale LCE
“La spina dorsale è piena di sfide ed è un problema difficile da risolvere”, ha detto Yakacki. “Le persone hanno provato a creare dischi di tessuto spinale sintetico e non hanno fatto un buon lavoro. Con la stampa 3D e l’alta risoluzione che ne abbiamo ottenuto, puoi abbinare esattamente l’anatomia di una persona. Un giorno, potremmo essere in grado di far crescere cellule per riparare la colonna vertebrale, ma per ora possiamo fare un passo avanti con la prossima generazione di materiali. È lì che vorremmo andare “.
Questo lavoro è supportato dall’US Army Research Laboratory e dall’US Army Research Office, da un NSF CAREER Award e dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio presso i Sandia National Laboratories, per la National Nuclear Security Administration del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
