I tessuti biologici si sono evoluti nel corso dei millenni per essere perfettamente ottimizzati per le loro funzioni specifiche. Prendete la cartilagine come esempio. È un tessuto elastico conforme che è abbastanza morbido da attutire le articolazioni, ma abbastanza forte da resistere alla compressione e al sostanziale carico del nostro corpo.
Creare repliche sintetiche 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 ingegneria meccanica Chris Yakacki, sono i primi a stampare in 3D una struttura reticolare complessa e porosa usando elastomeri a cristalli liquidi (LCE) che può imitare la cartilagine e altri tessuti biologici. Il team CU Denver ha riportato i suoi risultati questa settimana sulla rivista Advanced Materials.
La rivoluzione della produzione di LCE
Yakacki ha iniziato a lavorare con gli LCE nel 2012. I materiali morbidi e multifunzionali sono noti per la loro elasticità e straordinaria capacità di dissipare l’elevata energia. Nel 2018, Yakacki ha ricevuto un premio NSF CAREER per aver utilizzato gli LCE come ammortizzatori per i caschi da Football. Anche allora, sapeva che le sue applicazioni potevano andare oltre.
“Tutti hanno sentito parlare di cristalli liquidi perché si trovano sul display del telefono”, dice Yakacki. “E probabilmente hai sentito parlare di polimeri a cristalli liquidi perché è esattamente ciò che è il Kevlar. La nostra sfida era di farli entrare nei polimeri morbidi, come gli elastomeri, per usarli come ammortizzatori.”
Gli LCE sono difficili da manipolare. Fino ad ora, la maggior parte dei ricercatori ha potuto 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 con risoluzioni elevate sono il futuro. Yakacki e il processo chimico e di stampa del suo team hanno portato la difficoltà quasi a zero.
Una resina simile al miele per imitare la cartilagine umana
Per il loro studio, Yakacki e il suo team hanno esplorato un processo di stampa 3D chiamato Digital Light Processing (DLP). Il team ha sviluppato una resina LC simile al miele che, una volta colpita dalla luce ultravioletta, si indurisce formando nuovi legami in una successione di sottili strati di fotopolimero. La resina indurita forma un elastomero morbido, resistente e conforme. Quando viene stampato in strutture reticolari – con motivi simili a quelli a nido d’ape – è allora che si inizia 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 fusione spinale, creando il più grande dispositivo LCE con il maggior dettaglio. La combinazione di resina e processo di stampa ha inoltre portato a una dissipazione dell’energia di deformazione fino a 27 volte maggiore rispetto a quelle disponibile in commercio.
Le possibili applicazioni del nuovo materiale
In futuro, le strutture avranno diverse applicazioni, come la schiuma per il casco da Football ammortizzante o anche piccoli impianti biomedici per le dita dei piedi. Yakacki è molto entusiasta delle sue possibilità sulla colonna vertebrale.
“La colonna vertebrale è piena di sfide ed è un problema difficile da risolvere”, ha detto Yakacki. “Le persone hanno provato a realizzare dischi sintetici del tessuto spinale e non hanno fatto un buon lavoro. Con la stampa 3D e l’alta risoluzione che ne abbiamo ricavato, puoi abbinare esattamente l’anatomia di una persona. Un giorno potremmo riuscire a far crescere le cellule per riparare la colonna vertebrale, ma per ora possiamo fare un passo avanti con la prossima generazione di materiali.”
