MiIl Dr. Stefan Schiller e il Dr. Matthias Huber del Cluster di Eccellenza livMatS dell’Università di Friburgo sono riusciti a sviluppare un muscolo artificiale esclusivamente sulla base di proteine naturali. Le contrazioni autonome del materiale, possono essere controllate con l’aiuto dei cambiamenti di pH e temperatura.
I movimenti sono guidati da una reazione chimica che consuma energia molecolare per questo scopo. “Il nostro muscolo artificiale è ancora un prototipo“, ha dichiarato Schiller: “Tuttavia, l’elevata biocompatibilità del materiale e la possibilità di regolarne la composizione per adattarsi a un particolare tessuto potrebbe aprire la strada a future applicazioni nella medicina ricostruttiva, protesica, farmaceutica o robotica morbida”.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Advanced Intelligent Systems.
Muscolo artificiale: qualche dettaglio sulla ricerca
C’è stata un’intensa ricerca per sviluppare elastomeri sintetici che imitano il tessuto muscolare per l’uso in applicazioni biomediche. Tuttavia, ci sono limitazioni nell’uso di questi materiali per gli impianti poiché non possono aiutare con la riparazione o la rigenerazione dei tessuti e il materiale artificiale può spesso essere attaccato dal sistema immunitario e rifiutato dal corpo dell’ospite. Lo sviluppo del tessuto muscolare artificiale utilizzando le proteine potrebbe aiutare a superare questi problemi ed essere utilizzato per sostituire il tessuto muscolare danneggiato o in nuove protesi.
In passato, gli scienziati avevano già utilizzato le proteine naturali come base per lo sviluppo di sistemi muscolari artificiali e le avevano sviluppate in minuscole macchine molecolari o polimeri. Tuttavia, non fu ancora possibile sviluppare materiali muscolari sintetici che fossero interamente a base biologica e si muovessero autonomamente con l’aiuto dell’energia chimica.
Il materiale utilizzato dal team di Friburgo è a base di elastina, una proteina fibrosa naturale che si trova anche nell’uomo, donando ad esempio elasticità alla pelle e ai vasi sanguigni. Seguendo il modello di questa proteina, i ricercatori hanno sviluppato due proteine simili all’elastina, una delle quali risponde, ad esempio, alle fluttuazioni del pH, l’altra alle variazioni di temperatura.
Gli scienziati hanno combinato le due proteine mediante reticolazione fotochimica per formare un materiale a doppio strato. In questo processo è possibile modellare in modo flessibile il materiale e impostare la direzione del suo movimento.
I ricercatori sono riusciti a indurre le contrazioni ritmiche utilizzando una fonte di energia chimica come combustibile, in questo caso il solfito di sodio. In una reazione chimica oscillante in cui il pH cambia in cicli a causa di uno speciale collegamento di più reazioni, l’energia aggiunta è stata convertita in energia meccanica tramite stati di non equilibrio del materiale.
In questo modo i ricercatori hanno indotto il materiale a contrarsi autonomamente in maniera ciclica. Sono stati anche in grado di attivare e disattivare le contrazioni con l’aiuto dei cambiamenti di temperatura: la reazione chimica oscillante è iniziata a una temperatura di circa 20 gradi Celsius e il materiale ha iniziato a compiere movimenti ritmici. Durante il processo è stato possibile programmare alcuni stati che il materiale assumeva e ripristinarli nuovamente con un altro stimolo.
“Poiché è derivato dall’elastina proteica presente in natura ed è prodotto da noi attraverso mezzi biotecnologici, il nostro materiale è caratterizzato da un’elevata sostenibilità che è rilevante anche per le applicazioni tecniche“, spiega Schiller. “In futuro, il materiale potrebbe essere ulteriormente sviluppato per rispondere ad altri stimoli, come la concentrazione di sale nell’ambiente, e per consumare altre fonti di energia, come il malato derivato dalla biomassa”.
Un muscolo artificiale potrebbe essere utilizzato per rivestire gli arti per robot, arti protesici o altre applicazioni meccaniche e biomediche. Sebbene siano stati utilizzati molti approcci diversi per la creazione di un muscolo artificiale, inclusi sistemi idraulici, servomotori, metalli a memoria di forma e polimeri che rispondono agli stimoli, tutti hanno dei limiti, tra cui un peso elevato o tempi di risposta lenti.
Alcuni arti protesici oggi possono pesare fino a 30 libbre, con gran parte del peso proveniente da attuatori, che sono spesso pneumatici o idraulici; attuatori più leggeri potrebbero quindi rendere la vita molto più facile a coloro che utilizzano protesi. Tali fibre potrebbero anche trovare usi in minuscoli dispositivi biomedici, come un robot medico che funziona entrando in un’arteria e quindi attivandosi.
Ad oggi, un muscolo artificiale è il componente principale dei sistemi robotici intelligenti e interattivi, fornendo le capacità di morphing, manipolazione e mobilità della forma. Gli intensi sforzi di ricerca nello sviluppo di un muscolo artificiale si basano sugli attuatori dielettrici dell’elastomero, sugli attuatori pneumatici, sugli attuatori elettrochimici, sugli attuatori magnetici morbidi e sui polimeri reattivi allo stimolo.
I recenti progressi hanno presentato i muscoli artificiali con un’impressionante potenza specifica superiore a quella dei muscoli naturali, un comportamento abile di morphing della forma che può essere programmato e riconfigurato e un’eccezionale elevata manovrabilità per attraversare superfici con ostacoli e trame diverse. Non rimane che aspettare la prosecuzione di tutte le ricerche al riguardo.
