Gli scienziati inventano nuovi biomateriali riassorbibili per dispositivi medici impiantabili

Aug 31, 2023

Dialogo del 10 agosto 2023

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di Zhuomin Zhang

E se avessimo nel nostro corpo minuscoli dispositivi in ​​grado di monitorare costantemente le arterie danneggiate, accelerare la rigenerazione ossea e la guarigione delle ferite o facilitare la somministrazione di farmaci per il trattamento del cancro? Ciò potrebbe aprire notevoli opportunità per la cura delle malattie umane e il miglioramento delle nostre capacità oltre i limiti della biologia.

Per creare questi dispositivi possono essere utilizzati biomateriali piezoelettrici, in grado di generare segnali elettrici attraverso lo stress meccanico prodotto dai movimenti corporei come allungamento muscolare, respirazione, flusso sanguigno e piccoli movimenti. Non richiederanno batterie e saranno progettati per dissolversi in modo sicuro all'interno del corpo una volta adempiuto al loro scopo.

Il Premio Nobel 2021 per la Fisiologia e la Medicina è stato assegnato agli scienziati David Julius e Ardem Patapoutian, che hanno risolto il mistero della sensazione umana del tatto e del dolore. Hanno verificato che le cellule percepiscono la pressione e suscitano la sensazione del tatto attraverso gli effetti di accoppiamento elettromeccanico delle proteine ​​Piezo 1 e Piezo 2. Siamo ispirati da questa grande scoperta e abbiamo pensato di fare alcuni nuovi progressi scientifici nel campo dei biomateriali piezoelettrici e guidandoli verso applicazioni del mondo reale.

Attualmente, la maggior parte dei materiali piezoelettrici sono rigidi e fragili e alcuni di essi contengono addirittura materiali tossici, che li rendono inadatti all’impianto nel corpo umano. I biomateriali piezoelettrici sono alternative promettenti poiché mostrano naturalmente biocompatibilità, affidabilità e riassorbibilità.

Tuttavia, la forza piezoelettrica dei biomateriali piezoelettrici naturali come ossa e legno è debole a causa dell’orientamento disordinato. Ciò li rende impreparati per le applicazioni nel mondo reale. Pertanto, creare ordine nei biomateriali piezoelettrici e migliorare il loro effetto piezoelettrico è estremamente importante. Tuttavia, la manipolazione delle biomolecole su larga scala con l’orientamento allineato necessario per funzionare correttamente si è rivelata impegnativa.

Qui, abbiamo presentato una strategia generalizzabile che consente alle biomolecole di autoassemblarsi su una vasta area con lo stesso orientamento tramite nanoconfinamento sinergico e campo elettrico in situ. I film biomolecolari mostrano una struttura densa e compatta con forza piezoelettrica uniformemente elevata, superiore alla maggior parte dei film bioorganici riportati.

Inoltre, grazie all'effetto di nanoconfinamento, la termostabilità di questi film nanocristallini è stata notevolmente migliorata rispetto ai loro cristalli sfusi (la temperatura di rottura è stata aumentata da 67°C a 192°C).

Infatti, nel 2022, avevamo già pubblicato uno studio sui tessuti biopiezoelettrici in Advanced Materials intitolato "van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films". In questo lavoro, abbiamo studiato sistematicamente la biopiezoelettricità della sottomucosa intestinale piccola stratificata di Van der Waals (SIS).

Per la prima volta, abbiamo determinato quantitativamente la piezoelettricità intrinseca del SIS utilizzando la microscopia a forza di risposta piezoelettrica avanzata (PFM) e rivelato l’origine della sua biopiezoelettricità. Abbiamo proposto un processo di esfoliazione di van der Waals (vdWE) utilizzando deboli interazioni di van der Waals in tessuti biologici molli stratificati per preparare film ultrasottili (100 nm) con domini piezoelettrici efficaci attraverso un semplice peeling meccanico.