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Biomateriale potenziato con il nichel diventa più forte quando bagnato
Ricercatori spagnoli si sono ispirati alla natura e hanno sviluppato un nuovo biomateriale che ne aumenta la resistenza a contatto con l’acqua, mantenendone la naturale biodegradabilità.
I materiali sintetici come la plastica sono progettati per essere durevoli e resistenti all’acqua. Ma la lavorazione necessaria per ottenere queste proprietà comporta una mancanza di biodegradabilità, portando all’accumulo di inquinamento da plastica che influisce sia sull’ambiente che sulla salute umana.
I ricercatori dell’Istituto di Bioingegneria della Catalogna (IBEC) stanno sviluppando un possibile sostituto delle materie plastiche: un nuovo biomateriale a base di chitina, il secondo polimero naturale più abbondante sulla Terra.
“Ogni anno, la natura produce circa 1011 tonnellate di chitina, circa equivalenti a più di tre secoli di produzione globale di plastica odierna,” afferma il leader dello studio Javier G Fernández.
“La chitina e [il suo derivato] il chitosano sono i polimeri naturali per l’ingegneria per eccellenza. In natura, variazioni di questo materiale producono ali rigide di insetti che permettono il volo, articolazioni elastiche che permettono salti straordinari nelle cavallette e esoscheletri protettivi simili a armature nelle aragoste o nelle vongole.”
Ma mentre i biomateriali offrono un’alternativa più ecologica rispetto alle plastiche convenzionali, la maggior parte dei materiali biologici si indebolisce quando esposta all’acqua. In quest’ultima opera, Fernández e il primo autore Akshayakumar Kompa si sono ispirati alla natura e hanno sviluppato un nuovo biomateriale che ne aumenta la resistenza a contatto con l’acqua, mantenendone la naturale biodegradabilità.
Il metallo conta
Negli esoscheletri di insetti e crostacei, la chitina viene secreta in forma gelatinosa nell’acqua e poi si trasforma in una struttura dura.
Dopo un’osservazione casuale secondo cui rimuovere lo zinco dai denti di un verme di sabbia li faceva ammorbidire in acqua, Kompa e Fernández indagarono se aggiungere un metallo di transizione diverso, il nichel, al chitosano potesse avere l’effetto opposto.
Mescolando una soluzione di cloruro di nichel (a concentrazioni da 0,6 a 1,4 M) con dispersioni di chitosano estratte da gusci di gamberetto scartati, i ricercatori intrappolarono quantità variabili di nichel all’interno della struttura del chitosano.
Spettri infrarossi a trasformata di Fourier dei film di chitosano risultanti hanno rivelato la presenza di ioni nichel, che formano deboli legami di idrogeno con le molecole d’acqua e aumentano la capacità del biomateriale di legarsi all’acqua.
“Nei nostri film, le molecole d’acqua formano ponti reversibili tra catene polimeriche attraverso interazioni deboli che possono rompersi e riformarsi rapidamente sotto carico”, spiega Fernández.
“Questa rapida riconfigurazione è ciò che conferisce al materiale alta resistenza e tenacità in condizioni di umido: essenzialmente un meccanismo di ‘auto-riordino’ integrato e attivato dallo sforzo. Gli ioni nichel agiscono come ancoraggi stabilizzanti per questi ponti mediati dall’acqua, permettendo connessioni più lunghe e più lunghe e rendendo la connettività intercatena più robusta”.
I campioni di chitosano dopati al nichel avevano resistenze alla trazione comprese tra 30 e 40 MPa, simili a quelle delle plastiche standard. L’aggiunta di basse concentrazioni di nichel non ha avuto un impatto significativo sulle proprietà meccaniche dei film.
Concentrazioni di 1 M o più, tuttavia, preservavano la resistenza del materiale aumentando al contempo la sua tenacità (la capacità di allungarsi prima di rompersi) – un obiettivo chiave nel campo dei materiali strutturali e una caratteristica unica dei compositi biologici.
Immersi in acqua, i film dopati al nichel mostravano una maggiore resistenza alla trazione, aumentando da 36,12±2,21 MPa quando asciutti a 53,01±1,68 MPa, entrando nella gamma delle materie plastiche ingegneristiche ad alte prestazioni. In particolare, i campioni prodotti con una concentrazione ottimale di nichel di 0,8 M quasi raddoppiarono la loro resistenza quando bagnati (e furono utilizzati per il resto degli esperimenti del team).
Produzione scalabile
Il processo di produzione prevede un’immersione iniziale in acqua, seguita da asciugatura per 24 ore e ri-bagnatura.
Durante la prima immersione, gli ioni di nichel non incorporati nella rete funzionale di collegamento del materiale vengono rilasciati in acqua, assicurando che il nichel sia presente solo dove è strutturalmente utile.
I ricercatori hanno sviluppato un ciclo di produzione a rifiuti zero in cui quest’acqua viene utilizzata come componente principale per la fabbricazione del prossimo oggetto.
“Il nichel espulso viene recuperato e utilizzato per produrre il lotto successivo di materiale, quindi il processo funziona essenzialmente con un utilizzo del 100% di nichel su tutti i lotti,” dice Fernández.
Utilizzarono questo processo per produrre vari oggetti chitosani dopati al nichel, inclusi contenitori stagni e un 1 m2 film che potesse sostenere un peso di 20 kg dopo 24 ore di immersione in acqua.
Hanno inoltre creato un film di 244 x 122 cm con un comportamento meccanico simile a quello dei campioni più piccoli, dimostrando il potenziale per una rapida scala su scala ecologicamente rilevante.
Un test standard dell’emivita ha rivelato che, dopo circa quattro mesi sepolti nel terreno da giardino, metà del materiale si era biodegradata.
I ricercatori suggeriscono che il primo utilizzo reale del biomateriale possa riguardarsi in settori come l’agricoltura e la pesca, che richiedono materiali forti, compatibili con l’acqua e, in definitiva, biodegradabili, probabilmente per imballaggi, rivestimenti e altre applicazioni esposte all’acqua.
Sia il nichel che il quitosano sono già impiegati nella biomedicina, rendendo la medicina un altro possibile obiettivo, anche se ogni nuovo prodotto medico richiederà ulteriori validazioni regolatorie e di prestazioni.
“Negli ultimi 20 anni, lavorando sulla produzione bioispirata, siamo riusciti a produrre i più grandi oggetti biostampati al mondo, abbiamo dimostrato percorsi per una produzione sicura e sostenibile in ambiti urbani, e abbiamo persino esplorato come questi approcci possano supportare la colonizzazione interplanetaria,” racconta a Physics World.
“Ora stiamo ottenendo proprietà materiali considerate irraggiungibili, progettando il materiale per funzionare con il suo ambiente, invece di isolarsi da esso.”
I ricercatori riportano i loro risultati su Nature Communications.
Foto: Institute for Bioengineering of Catalonia
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