Un materiale stampabile in 3D riproduce alcune funzioni di trasporto dei tessuti biologici
Un gruppo di ricerca coordinato dalla University of Texas at Austin ha sviluppato un materiale morbido e stampabile in 3D formato da miliardi di minuscoli compartimenti acquosi collegati tra loro attraverso membrane sottili. La struttura riproduce alcuni principi organizzativi dei tessuti biologici, nei quali le cellule sono separate da membrane capaci di controllare il passaggio di ioni e molecole.
Il materiale è stato denominato JIBE, acronimo di Jammed Interconnected Bilayer Emulsion, traducibile come emulsione compressa a doppi strati interconnessi. Il termine “tessuto” utilizzato dai ricercatori indica una somiglianza strutturale e funzionale con determinati sistemi biologici, non la produzione di un tessuto umano completo o di un organo pronto per l’impiego clinico.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista scientifica Nature Materials da Springer Nature. Il progetto è stato guidato da Aida Fica e Manish Kumar della University of Texas at Austin, con il contributo di ricercatori della University of Tennessee, Knoxville, della Pennsylvania State University e della National Taiwan University.
Non risultano aziende private direttamente coinvolte nella conduzione dello studio. Le organizzazioni partecipanti sono università, enti di ricerca e istituzioni pubbliche o filantropiche che hanno sostenuto il lavoro attraverso finanziamenti e programmi scientifici.
Una rete di compartimenti acquosi simile all’organizzazione cellulare
I tessuti biologici non sono costituiti da una massa uniforme. Sono formati da cellule delimitate da membrane che separano l’ambiente interno da quello esterno e regolano il trasferimento di acqua, sali, nutrienti e altre sostanze.
Le membrane cellulari contengono proteine e canali specializzati. Alcuni consentono il passaggio di determinate molecole, mentre altri impediscono il transito di sostanze non necessarie. Questa selettività è alla base del funzionamento di organi come reni e intestino, che devono distinguere tra composti da assorbire, recuperare oppure eliminare.
Il materiale realizzato dalla University of Texas at Austin cerca di riprodurre questo tipo di organizzazione attraverso goccioline d’acqua immerse in un ambiente oleoso. Ogni gocciolina è rivestita da molecole anfifiliche, cioè composti che presentano una parte compatibile con l’acqua e una parte compatibile con l’olio.
Quando due goccioline rivestite entrano in contatto, le molecole anfifiliche si dispongono all’interfaccia formando una membrana a doppio strato. Il risultato è una rete di compartimenti acquosi distinti, ma collegati attraverso membrane che possono essere attraversate da specifici canali molecolari.
La struttura ricorda, in forma semplificata, un insieme di cellule adiacenti. A differenza delle cellule viventi, tuttavia, le goccioline non contengono un metabolismo completo, un nucleo, materiale genetico o tutti i sistemi necessari alla vita. Si tratta quindi di un materiale biomimetico, progettato per riprodurre proprietà selezionate dei tessuti biologici.
Il limite dei precedenti tessuti artificiali basati su goccioline
Le reti di goccioline separate da doppi strati lipidici vengono studiate da diversi anni. Sono conosciute come droplet interface bilayers, o DIB, e vengono impiegate per analizzare membrane, proteine di trasporto, canali ionici e sistemi ispirati alle cellule.
Uno dei principali ostacoli alla loro applicazione è stato il passaggio da strutture microscopiche a materiali con dimensioni utilizzabili. I metodi tradizionali richiedono spesso la disposizione controllata delle singole goccioline o la loro formazione attraverso sistemi microfluidici. Questi processi permettono di ottenere reti ordinate, ma possono risultare lenti quando devono essere prodotti milioni o miliardi di compartimenti.
La stabilità rappresenta un altro problema. Una rete di goccioline può deformarsi, separarsi o perdere la propria organizzazione durante la manipolazione. La presenza di membrane sottili rende inoltre il sistema sensibile alle pressioni meccaniche, alle variazioni della composizione chimica e alle condizioni dell’ambiente circostante.
Il gruppo della University of Texas at Austin ha affrontato questi limiti attraverso un procedimento basato su emulsificazione e centrifugazione. Invece di assemblare una gocciolina alla volta, i ricercatori producono una grande quantità di compartimenti acquosi e li comprimono fino a creare un materiale continuo.
Come viene prodotto il materiale JIBE
Il processo parte dalla combinazione di fasi liquide con differenti proprietà di solubilità. Attraverso la miscelazione viene generata un’emulsione composta da goccioline d’acqua disperse in una fase oleosa contenente le molecole necessarie alla formazione delle membrane.
Le goccioline vengono poi sottoposte a centrifugazione. La forza applicata dalla centrifuga le spinge una contro l’altra, eliminando parte dello spazio intermedio e creando una struttura densamente impaccata.
Quando le superfici delle goccioline entrano in contatto, gli strati molecolari presenti sulle interfacce formano membrane bilayer, cioè doppi strati. Queste membrane mantengono separato il contenuto acquoso dei compartimenti, ma permettono di stabilire collegamenti funzionali attraverso proteine, nanopori e canali ionici.
La procedura consente di produrre in pochi minuti volumi compresi tra l’ordine dei millilitri e quello dei decilitri. Ogni millilitro può contenere miliardi di compartimenti separati da membrane.
La capacità di generare quantità macroscopiche distingue i JIBE da numerose reti di goccioline prodotte attraverso assemblaggi seriali. Il procedimento impiega attrezzature comuni nei laboratori, come miscelatori e centrifughe, senza richiedere necessariamente sistemi microfluidici complessi per la formazione di ogni singolo compartimento.
Il ruolo della compressione tra le goccioline
La parola “jammed” indica che le goccioline sono state compresse fino a raggiungere una condizione nella quale non possono muoversi liberamente le une rispetto alle altre. Una condizione simile si osserva in materiali granulari, schiume concentrate ed emulsioni dense.
La compressione produce una rete capace di mantenere una forma collettiva pur rimanendo morbida e deformabile. Il materiale non si comporta come un liquido convenzionale, nel quale le goccioline potrebbero scorrere senza controllo, ma nemmeno come un solido rigido.
Questa condizione intermedia è importante per la stampa 3D. Durante l’estrusione, il materiale deve scorrere attraverso un ugello. Una volta depositato, deve conservare una geometria riconoscibile senza disperdersi immediatamente nell’ambiente circostante.
I ricercatori hanno dimostrato che l’architettura compressa dei JIBE permette l’estrusione diretta all’interno di soluzioni acquose. La stampa non avviene quindi attraverso la fusione di un filamento termoplastico o la polimerizzazione di una resina mediante luce, ma attraverso la deposizione controllata di un’emulsione morbida formata da compartimenti interconnessi.
Una stampa 3D basata sull’estrusione di materiale morbido
Per fabbricare forme tridimensionali, il materiale viene caricato in un sistema di estrusione e spinto attraverso un ugello. Il movimento dell’ugello e la quantità di materiale depositato determinano la geometria finale.
La possibilità di stampare in un ambiente acquoso è rilevante per le applicazioni biologiche, perché numerose cellule, proteine e molecole funzionali non tollerano le temperature elevate impiegate nella stampa di polimeri termoplastici. Anche alcuni processi di fotopolimerizzazione possono richiedere sostanze o radiazioni incompatibili con componenti biologici sensibili.
Il procedimento sviluppato dalla University of Texas at Austin opera invece con materiali morbidi e compartimenti ricchi d’acqua. Questo non significa che qualsiasi cellula o proteina possa essere integrata senza ulteriori verifiche. Stabilità, vitalità cellulare, sterilità, risposta immunitaria e comportamento a lungo termine dovranno essere analizzati per ogni possibile impiego medico.
La stampa 3D offre comunque la possibilità di controllare la distribuzione spaziale del materiale. In prospettiva, sezioni con composizioni differenti potrebbero essere depositate in posizioni definite, creando regioni con diverse proprietà di trasporto, rigidità o risposta elettrica.
Un materiale modulare basato su lipidi e copolimeri
Il processo non è limitato a una sola formulazione. I ricercatori hanno verificato la compatibilità con differenti molecole anfifiliche, compresi lipidi e copolimeri a blocchi.
I lipidi sono componenti fondamentali delle membrane biologiche. La loro capacità di organizzarsi spontaneamente in doppi strati li rende adatti alla costruzione di membrane artificiali capaci di ospitare proteine e canali molecolari.
I copolimeri a blocchi sono invece macromolecole costituite da segmenti chimicamente differenti. Possono essere progettati per ottenere membrane più robuste, più spesse oppure più resistenti rispetto ad alcuni sistemi lipidici.
La scelta tra lipidi, copolimeri o formulazioni miste può modificare la durata del materiale, la permeabilità delle membrane, la resistenza meccanica e la compatibilità con le proteine incorporate.
Questa modularità permette di considerare i JIBE come una piattaforma, anziché come un unico materiale con proprietà fisse. La funzione può essere modificata intervenendo sulla composizione delle membrane e sui canali inseriti al loro interno.
Proteine e nanopori trasformano la rete in un materiale funzionale
Una membrana priva di canali presenta una capacità limitata di trasportare ioni e molecole. Per ottenere funzioni più vicine a quelle dei tessuti, il gruppo di ricerca ha integrato nelle membrane proteine biologiche e pori artificiali.
I canali agiscono come passaggi selettivi tra i compartimenti. A seconda della loro struttura, possono consentire il trasferimento di determinati ioni, rispondere a variazioni di tensione oppure cambiare comportamento in presenza di specifiche condizioni chimiche.
Nel lavoro sono state dimostrate tre proprietà principali: regolazione della conduttanza ionica, trasporto selettivo e memristenza.
L’inserimento di una proteina derivata dalla membrana esterna di Escherichia coli ha aumentato la conduttanza ionica del materiale di circa 4.400 volte rispetto alle strutture prive del canale. Il dato mostra che il comportamento elettrico collettivo della rete può essere modificato intervenendo sui componenti molecolari delle membrane.
In una seconda prova è stato utilizzato un trasportatore basato su peptidi per distinguere gli ioni ammonio dagli ioni sodio. Il sistema ha raggiunto un rapporto di selettività superiore a 15 a 1 in favore dell’ammonio nelle condizioni sperimentali analizzate.
Questa selettività è significativa perché ammonio e altri ioni possono essere presenti insieme nelle acque reflue. Separare una specie ionica specifica all’interno di una soluzione complessa è uno dei principali problemi delle tecnologie di recupero delle risorse.
La memristenza e il possibile impiego nel calcolo neuromorfico
La terza proprietà analizzata è la memristenza. Un memristore è un componente il cui comportamento elettrico dipende anche dalla storia dei segnali che lo hanno attraversato. La sua resistenza può quindi cambiare in funzione delle tensioni o delle correnti applicate in precedenza.
Nei sistemi elettronici, i memristori vengono studiati per realizzare memorie, circuiti adattivi e architetture di calcolo neuromorfico ispirate ad alcuni principi delle reti nervose.
Il gruppo della University of Texas at Austin ha integrato nei JIBE un poro modello controllato dalla tensione. Il canale ha permesso di ottenere una rete nella quale il trasporto ionico variava in funzione degli stimoli elettrici applicati.
La struttura contiene miliardi di compartimenti collegati. Questa caratteristica potrebbe consentire di studiare dispositivi nei quali l’elaborazione non dipende da singoli transistor disposti su un supporto rigido, ma dal comportamento collettivo di una rete morbida e ionicamente conduttiva.
Il risultato è ancora una dimostrazione sperimentale. Prima di un impiego informatico sarà necessario controllare la durata dei canali, la ripetibilità delle risposte, la velocità di elaborazione, il consumo energetico e l’integrazione con sistemi elettronici convenzionali.
Dalla filtrazione dell’ammonio al recupero del litio
Una delle applicazioni considerate riguarda la separazione di nutrienti e minerali dalle acque reflue. Il principio consiste nell’incorporare nelle membrane canali in grado di riconoscere uno specifico ione e favorirne il passaggio rispetto alle altre sostanze presenti.
Le acque prodotte dalle attività di estrazione di petrolio e gas possono contenere sali, ammonio, litio e altri elementi. Anche le acque reflue municipali contengono nutrienti come ammonio e fosfati, che vengono spesso trattati come sostanze da rimuovere anziché come risorse da recuperare.
La University of Texas at Austin sta sviluppando sistemi di membrane biomimetiche nell’ambito del programma RECOVER dell’Advanced Research Projects Agency–Energy, agenzia appartenente allo U.S. Department of Energy.
Il progetto dispone di un finanziamento annunciato di 2 milioni di dollari e punta a integrare le membrane bioispirate con processi elettrochimici per recuperare litio, ammonio e altri ioni metallici dalle acque generate dal settore petrolifero e del gas. Il programma considera inoltre il recupero di fosfati e ammonio dalle acque reflue municipali.
La tecnologia JIBE potrebbe contribuire alla realizzazione di membrane selettive di dimensioni maggiori rispetto ai sistemi sperimentali basati su poche goccioline. Rimangono da verificare la stabilità in acque reali, la resistenza ai contaminanti, l’intasamento delle membrane, il consumo energetico e la capacità di recuperare prodotti con una purezza utilizzabile industrialmente.
Possibili impieghi nell’ingegneria dei tessuti
La struttura compartimentata e la possibilità di utilizzare materiali biocompatibili rendono i JIBE interessanti per l’ingegneria dei tessuti. Un materiale di supporto potrebbe essere impiegato come impalcatura per organizzare cellule e molecole biologiche in configurazioni tridimensionali.
In un tessuto naturale, le cellule ricevono segnali chimici e meccanici dall’ambiente circostante. Una rete di compartimenti artificiali potrebbe essere configurata per rilasciare molecole in posizioni specifiche, creare gradienti chimici oppure trasportare nutrienti attraverso canali controllati.
Queste funzioni potrebbero contribuire alla costruzione di modelli di laboratorio per lo studio delle malattie, alla valutazione di farmaci o alla crescita di tessuti artificiali.
Non è stato però dimostrato che i JIBE possano già sostituire tessuti umani o essere impiantati nei pazienti. Per arrivare a un’applicazione clinica sarebbero necessari studi sulla risposta delle cellule, sulla degradazione del materiale, sulla sterilizzazione, sulla vascolarizzazione e sull’interazione con il sistema immunitario.
La produzione di organi completi richiederebbe inoltre l’integrazione di diversi tipi cellulari, vasi sanguigni, nervi e strutture meccaniche organizzate su più scale. Il lavoro della University of Texas at Austin affronta uno degli elementi del problema: la costruzione rapida di una rete compartimentata capace di controllare il trasporto molecolare.
Materiali adattabili per la robotica morbida
I JIBE potrebbero essere utilizzati anche nella robotica morbida, settore nel quale vengono sviluppati dispositivi flessibili capaci di deformarsi, adattarsi agli oggetti e operare in spazi difficili da raggiungere.
Un robot morbido può richiedere materiali in grado di trasportare ioni, reagire a stimoli chimici o modificare il proprio comportamento in seguito a un segnale elettrico. Le reti di goccioline funzionalizzate potrebbero combinare queste caratteristiche all’interno di una struttura deformabile.
Le possibili applicazioni comprendono strumenti chirurgici, dispositivi destinati alla manipolazione di oggetti delicati, sistemi per l’esplorazione di ambienti pericolosi e componenti capaci di interagire con tessuti biologici.
Il passaggio da un campione di laboratorio a un robot funzionante richiederà l’integrazione con attuatori, sensori, sistemi di controllo e fonti di energia. Sarà inoltre necessario impedire la perdita dei liquidi e mantenere intatte le membrane durante migliaia di cicli di deformazione.
La collaborazione tra università e centri di ricerca
Il progetto ha coinvolto diversi dipartimenti della University of Texas at Austin, tra cui il Fariborz Maseeh Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering, il McKetta Department of Chemical Engineering, il Department of Molecular Biosciences e il Department of Chemistry.
Alla ricerca hanno partecipato anche il Department of Biomedical Engineering della University of Tennessee, Knoxville, la Pennsylvania State University e il Department of Chemical Engineering della National Taiwan University.
Tra i ricercatori figurano Aida Fica, McKayla Torbett-Dougherty, Samuel West, Malika Rao, Raman Dhiman, Jun Wang, Yang Gao, Yu-Ming Tu, Harekrushna Behera, Claude Roc, Kyler Grogan, Alexandra Beaver, Chang Liu, Alexander Jui-An Lin, Brian Belardi, Benjamin K. Keitz, Robert J. Hickey, Zunlong Ke, Adrianne M. Rosales, Berkin Dortdivanlioglu, Stephen A. Sarles e Manish Kumar.
Il lavoro è stato sostenuto, tra gli altri, dalla National Science Foundation, dalla WoodNext Foundation, dalla Chilean National Agency for Research and Development e dal Center for Dynamics and Control of Materials della University of Texas at Austin.
Aida Fica e Manish Kumar hanno inoltre depositato brevetti relativi alla tecnologia e ad alcune delle sue possibili applicazioni attraverso Discovery to Impact, la struttura della University of Texas at Austin dedicata al trasferimento tecnologico e alla valorizzazione della proprietà intellettuale.
I passaggi necessari prima di un’applicazione industriale
La ricerca dimostra la possibilità di produrre rapidamente reti macroscopiche di compartimenti separati da membrane, stamparle per estrusione e modificarne le funzioni attraverso canali molecolari.
Le prove svolte non equivalgono però a una validazione industriale o clinica. Un sistema destinato al trattamento delle acque dovrebbe funzionare per periodi prolungati, tollerare variazioni di temperatura e composizione, resistere alla contaminazione biologica e mantenere costante la selettività.
Per le applicazioni mediche servirebbero valutazioni sulla tossicità, sulla risposta immunitaria, sulla stabilità dei componenti e sul comportamento del materiale all’interno dell’organismo.
Nel calcolo neuromorfico sarà necessario verificare se la risposta memristiva può essere controllata e riprodotta con precisione, oltre a stabilire come collegare una rete ionica morbida ai circuiti elettronici.
La scalabilità ottenuta dal gruppo della University of Texas at Austin risolve comunque un limite importante dei precedenti tessuti artificiali basati su goccioline: la difficoltà di passare da piccole reti sperimentali a quantità di materiale manipolabili e stampabili.
I JIBE costituiscono quindi una piattaforma di materiali compartimentati nella quale struttura, trasporto ionico e risposta elettrica possono essere modificati attraverso la scelta delle membrane e dei canali incorporati. Le applicazioni più concrete dipenderanno dalla capacità dei ricercatori di trasformare le dimostrazioni di laboratorio in sistemi stabili, ripetibili e compatibili con le condizioni operative dei diversi settori.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)