Una ricerca italiana ha sviluppato una molla in grado di contrarsi e torcersi seguendo le variazioni delle condizioni ambientali, destinata ad applicazioni nel campo biomedicale.

Dalle capacità dei viticci di alcune piante, ad esempio la pianta di cetriolo, di avvitarsi e contrarsi in risposta alle variazioni delle condizioni ambientali è arrivata l’ispirazione per realizzare una molla, stampata in 4D, in grado di contrarsi e torcersi al variare della temperatura e del livello di umidità. Lo studio è stato finanziato dal Ministero della Ricerca e dell’Università nell’ambito del progetto PRIN2017 VISION, coordinato dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali dell’Università di Bologna.

 

“Per realizzare queste molle a struttura elicoidale, simili ai viticci vegetali, è stato necessario ideare un dispositivo in grado di auto-trasformarsi al variare di una serie di stimoli esterni, come la temperatura e l’umidità”, spiega Davide Morselli, in forza al gruppo di ricerca coordinato dalla professoressa Paola Fabbri al Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali dell’Università di Bologna, tra gli autori dello studio. “Per farlo abbiamo utilizzato un sistema di stampa in 4D, che utilizza la tecnologia della manifattura adattiva per accoppiare in una struttura coassiale due materiali che hanno opposti coefficienti di dilatazione termica”.

La stampa 4D è un’innovativa tecnica di manifattura adattiva che alle caratteristiche degli oggetti stampati in 3D permette di aggiungere la quarta dimensione, quella del tempo: gli oggetti stampati in 4D sono così in grado di modificare autonomamente la loro forma. Per realizzarli, vengono utilizzati una serie di materiali avanzati che rispondono a stimoli esterni come la luce, l’umidità o il calore. Come nel mondo vegetale la capacità di movimento delle piante deriva dalle differenti proprietà dei tessuti che ne compongono gli organi di sostegno. Così la struttura della nuova molla ideata dagli studiosi è composta da materiali polimerici ottenuti da fonti rinnovabili, che la rendono biocompatibile e quindi utilizzabile in campo medico.

Per realizzarla sono state impiegate da un lato seta rigenerata modificata con grafene e dall’altro un promettente biopoliestere caratterizzato da elevata biodegradabilità. Si tratta di materiali che hanno coefficienti di dilatazione termica opposti e questo permette alla molla di trasformare l’energia termica in una torsione meccanica. Non solo: se il calore permette alla molla di contrarsi, l’aumento dell’umidità porta invece ad un suo rilassamento.

Le possibili applicazioni della molla come supporto intelligente nel campo della medicina rigenerativa sono svariate, ad esempio come dispositivo per la chirurgia intestinale. I ricercatori la hanno testata con successo su un intestino artificiale, rilevando la capacità della molla di stimolare la proliferazione e differenziazione cellulare nelle cellule epiteliali intestinali.

“Ricerche di questo tipo sono in grado di coniugare l’utilizzo di tecnologie avanzate, come la stampa 4D, con le caratteristiche di sostenibilità e funzionalità offerte dalle moderne bioplastiche”, dice ancora Morselli. “È un approccio importante per connettere avanzamento scientifico e responsabilità nello sviluppo di nuovi materiali: in questo senso, per portare avanti ricerche così complesse, la collaborazione fra centri e gruppi di ricerca che offrono diverse competenze è fondamentale”.

A VISION hanno infatti partecipato studiosi dell’Università di Pisa, dell’Università degli Studi di Perugia e dell’Università degli Studi di Firenze, insieme a Davide Morselli, Micaela Degli Esposti e Paola Fabbri del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali dell’Università di Bologna.

“Questo progetto di grande rilevanza nazionale sta offrendo un contributo molto importante allo sviluppo di nuovi materiali completamente ottenuti da fonti rinnovabili mediante approcci biotecnologici”, aggiunge il professor Fabio Fava, coordinatore nazionale del progetto VISION. “Si tratta di un esempio di integrazione sinergica di competenze, coniugate per dare un contributo tangibile alla transizione verso l’economia circolare”.

La ricerca è stata pubbliata sulla rivista Advanced Functional Materials con il titolo “Biomimetic Tendrils by Four Dimensional Printing Bimorph Springs with Torsion and Contraction Properties Based on Bio-Compatible Graphene/Silk Fibroin and Poly(3-Hydroxybutyrate-co-3-Hydroxyvalerate)”.