Il ventre di aragosta ispira la tecnologia dell'idrogel nanofibroso per l'ingegneria dei tessuti / Lobster Underbelly Inspires Nanofibrous Hydrogel Tech for Tissue Engineering
Il ventre di aragosta ispira la tecnologia dell'idrogel nanofibroso per l'ingegneria dei tessuti / Lobster Underbelly Inspires Nanofibrous Hydrogel Tech for Tissue Engineering
Un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha sviluppato un materiale a base di idrogel nanofibro che imita la struttura del ventre di un'aragosta ed è potenzialmente forte ed elastico abbastanza da essere utilizzato per realizzare tessuti sostitutivi come tendini e legamenti artificiali. I ricercatori hanno provato il materiale attraverso una batteria di prove di allungamento e impatto e hanno dimostrato che, simile al ventre dell'aragosta, il materiale sintetico è notevolmente "resistente alla fatica" ed in grado di sopportare stiramenti e sollecitazioni ripetuti senza lacerarsi. "Affinché un materiale idrogel sia un tessuto artificiale portante, sono necessarie sia forza che deformabilità", ha spiegato il coautore Shaoting Lin, PhD, un associato post-dottorato presso il dipartimento di ingegneria meccanica del MIT. "Il nostro progetto dei materiali potrebbe raggiungere queste due proprietà."
Lin e colleghi riferiscono sul loro nuovo materiale in Matter , in un documento intitolato “ Idrogel nanofibrosi resistenti alla fatica ispirati al ventre dell'aragosta. "I coautori del MIT includono i dottorandi Jiahua Ni, PhD, e Shaoting Lin, PhD; gli studenti laureati Xinyue Liu e Yuchen Sun; professore di aeronautica e astronautica Raul Radovitzky, PhD; professore di chimica Keith Nelson, PhD; professore di ingegneria meccanica Xuanhe Zhao, PhD; e l'ex ricercatore David Veysset, PhD, ora alla Stanford University; insieme a Zhao Qin, PhD, assistente professore alla Syracuse University, e Alex Hsieh dell'Esercito Research Laboratory.
Il ventre di un'aragosta è rivestito da una sottile membrana traslucida, elastica e sorprendentemente resistente. Questa armatura marina, come riportato da un gruppo di ingegneri del MIT nel 2019, è realizzata con l'idrogel più resistente conosciuto in natura, che è anche altamente flessibile. Questa combinazione di forza ed elasticità aiuta a proteggere l'aragosta mentre striscia sul fondo del mare, permettendole anche di flettersi avanti e indietro per nuotare.
"La morbida membrana nel ventre dell'aragosta americana è un idrogel che contiene il 90% in peso di acqua e mostra una resistenza alla frattura estremamente elevata (cioè 24,98 MJ / m3) e alla trazione (cioè 23,36 MPa) sotto carico ciclico", il gruppo ha spiegato. "Studi recenti hanno inoltre rivelato che le straordinarie proprietà meccaniche del ventre dell'aragosta sono principalmente attribuite alla sua struttura nanofibrosa multistrato unica che consiste in nanofibre di chitina allineate in ogni strato".
Nel 2019, Lin ed altri membri del gruppo di Zhao hanno sviluppato un nuovo tipo di materiale resistente alla fatica a base di idrogel, una classe di materiali simile alla gelatina composta principalmente da acqua e polimeri reticolati. Hanno fabbricato il materiale da fibre ultrasottili di idrogel, che si allineavano come molti fili di paglia raccolta quando il materiale veniva allungato ripetutamente. Questo allenamento è capitato anche per aumentare la resistenza alla fatica dell'idrogel. "In quel momento, avevamo la sensazione che le nanofibre negli idrogel fossero importanti e speravamo di manipolare le strutture delle fibrille in modo da poter ottimizzare la resistenza alla fatica", ha detto Lin.
Gli idrogel nanofibrosi si trovano sia nei corpi degli animali che in quelli delle piante e sono presenti anche nelle applicazioni ingegneristiche, hanno osservato gli autori. "A causa dei meriti dell'elevata porosità, dell'alto contenuto di acqua e della biocompatibilità, gli idrogel nanofibrosi sono stati esplorati in diverse applicazioni, tra cui la rigenerazione dei tessuti, la pelle ionica, le medicazioni emostatiche, la riparazione della cartilagine, sensori tessili impercettibili, elettrodi stampabili per impianti flessibili, adesivi per tessuti e bio-robot su piccola scala ".
Per il loro sviluppo recentemente segnalato, i ricercatori hanno combinato una serie di tecniche per creare nanofibre di idrogel più forti. Il loro processo inizia con l'elettrofilatura, una tecnica di produzione di fibre che utilizza cariche elettriche per estrarre fili ultrasottili dalle soluzioni polimeriche. L'elettrofilatura è uno dei metodi più utilizzati per la fabbricazione di idrogel nanofibrosi. Tuttavia, come hanno sottolineato gli scienziati, "gli idrogel nanofibrosi elettrofilati esistenti sono in genere deboli e fragili a causa della bassa resistenza delle nanofibre e della debole interfaccia tra le nanofibre". E mentre gli scienziati hanno introdotto legami incrociati chimici per aumentare la forza e la tenacità degli idrogel nanofibrosi sotto un singolo ciclo di carico meccanico, "tali idrogel nanofibrosi rinforzati sono ancora suscettibili a cedimenti per fatica sotto molteplici cicli di carichi meccanici".
Il metodo di fabbricazione del gruppo ha utilizzato cariche ad alta tensione per far ruotare le nanofibre da una soluzione polimerica, per formare una pellicola piatta di nanofibre, ciascuna delle quali misura circa 800 nm, una frazione del diametro di un capello umano. Hanno posizionato il film in una camera ad alta umidità per saldare le singole fibre in una rete robusta e interconnessa, quindi hanno messo il film in un incubatore per cristallizzare le singole nanofibre ad alte temperature, rafforzando ulteriormente il materiale.
Hanno testato la resistenza alla fatica del film posizionandolo in una macchina che lo allungava ripetutamente per decine di migliaia di cicli. Hanno anche fatto delle tacche in alcune pellicole e osservato come le crepe si propagavano quando le pellicole venivano allungate ripetutamente. Da questi test, hanno calcolato che i film nanofibrosi erano 50 volte più resistenti alla fatica rispetto agli idrogel nanofibrosi convenzionali.
In questo periodo, il gruppo ha anche letto uno studio di Ming Guo , PhD, professore associato di ingegneria meccanica al MIT, che ha caratterizzato le proprietà meccaniche del ventre di un'aragosta. Questa membrana protettiva è composta da sottili fogli di chitina, un materiale fibroso naturale che è simile nel trucco alle nanofibre di idrogel del gruppo.
Guo ha scoperto che una sezione trasversale della membrana dell'aragosta ha rivelato fogli di chitina impilati ad angoli di 36 gradi, simili al compensato attorcigliato o una scala a chiocciola. Questa configurazione rotante a strati, nota come struttura bouligand, ha migliorato le proprietà di elasticità e resistenza della membrana. I ricercatori hanno notato che mentre una struttura bouligand è comune per i materiali naturali mineralizzati ed è stata riprodotta per generare materiali sintetici duri, "... l'ingegneria delle strutture bouligand in idrogel morbidi è stata una sfida".
Lin ha commentato: "Abbiamo appreso che questa struttura bouligand nel ventre dell'aragosta ha elevate prestazioni meccaniche, il che ci ha motivato a vedere se potevamo riprodurre tali strutture in materiali sintetici". Ni, Lin ed i membri del gruppo di Zhao hanno collaborato con il laboratorio di Nelson e il gruppo di Radovitzky nell'Institute for Soldier Nanotechnologies del MIT e il laboratorio di Qin alla Syracuse University, per vedere se potevano riprodurre la struttura della membrana bouligand dell'aragosta usando i loro film sintetici resistenti alla fatica .
"Abbiamo preparato nanofibre allineate mediante elettrofilatura per imitare le fibre di chitina che esistevano nel ventre dell'aragosta", ha detto Ni. Dopo l'elettrofilatura dei film nanofibrosi, i ricercatori hanno impilato ciascuno dei cinque film in successivi angoli di 36 gradi per formare un'unica struttura bouligando, che hanno poi saldato e cristallizzato per fortificare il materiale. Il prodotto finale misurava nove centimetri quadrati e aveva uno spessore di circa 30-40 micron, circa le dimensioni di un piccolo pezzo di nastro adesivo.
I test di allungamento hanno dimostrato che il materiale ispirato all'aragosta si comportava in modo simile alla sua controparte naturale ed era in grado di allungarsi ripetutamente resistendo a strappi e crepe, una resistenza alla fatica attribuita all'architettura ad angolo della struttura. "Intuitivamente, una volta che una crepa nel materiale si propaga attraverso uno strato, è ostacolata da strati adiacenti, dove le fibre sono allineate ad angoli diversi", ha spiegato Lin.
Il gruppo ha anche sottoposto il materiale a test di impatto microballistico con un esperimento progettato dal gruppo di Nelson. Hanno ripreso il materiale mentre lo hanno sparato con microparticelle ad alta velocità e hanno misurato la velocità delle particelle prima e dopo aver lacerato il materiale. La differenza di velocità ha dato loro una misura diretta della resistenza all'impatto del materiale, o la quantità di energia che può assorbire, che si è rivelata sorprendentemente resistente a 40 kilojoule per chilogrammo. Questo numero viene misurato allo stato idratato.
"Ciò significa che una sfera d'acciaio da 5 mm lanciata a 200 metri al secondo verrebbe arrestata da 13 mm di materiale", ha detto Veysset. "Non è resistente come il Kevlar, che richiederebbe 1 mm, ma il materiale batte il Kevlar in molte altre categorie."
E anche se non sorprende che il nuovo materiale non sia resistente come i materiali antibalistici commerciali, l'idrogel nanofibroso ispirato alla pancia dell'aragosta è significativamente più robusto della maggior parte degli altri idrogel nanofibrosi come la gelatina e polimeri sintetici come il PVA. Il materiale è anche molto più elastico del Kevlar. Questa combinazione di elasticità e forza suggerisce che, se il loro processo di fabbricazione può essere ingrandito e più film impilati in strutture bouligand, gli idrogel nanofibrosi possono fungere da tessuti artificiali flessibili e resistenti. "Qui, riportiamo un design bioispirato di idrogel nanofibrosi forti e resistenti alla fatica che possono imitare da vicino la struttura bouligando delle membrane morbide nel ventre dell'aragosta", ha concluso il gruppo.
ENGLISH
A team of Massachusetts Institute of Technology (MIT) researchers has developed a nanofibrous hydrogel-based material that mimics the structure of a lobster’s underbelly, and is potentially strong and stretchy enough to be used to make replacement tissues such as artificial tendons and ligaments. The researchers ran the material through a battery of stretch and impact tests, and showed that, similar to the lobster underbelly, the synthetic material is remarkably “fatigue resistant,” and able to withstand repeated stretches and strains without tearing. “For a hydrogel material to be a load-bearing artificial tissue, both strength and deformability are required,” explained co-author Shaoting Lin, PhD, a postdoctoral associate at MIT’s department of mechanical engineering. “Our material design could achieve these two properties.”
Lin and colleagues report on their new material in Matter, in a paper titled, “Strong fatigue-resistant nanofibrous hydrogels inspired by lobster underbelly.” The paper’s MIT co-authors include postdocs Jiahua Ni, PhD, and Shaoting Lin, PhD; graduate students Xinyue Liu and Yuchen Sun; professor of aeronautics and astronautics Raul Radovitzky, PhD; professor of chemistry Keith Nelson, PhD; mechanical engineering professor Xuanhe Zhao, PhD; and former research scientist David Veysset, PhD, now at Stanford University; along with Zhao Qin, PhD, assistant professor at Syracuse University, and Alex Hsieh of the Army Research Laboratory.
A lobster’s underbelly is lined with a thin, translucent membrane that is stretchy and surprisingly tough. This marine under-armor, as one team of MIT engineers reported in 2019, is made from the toughest known hydrogel in nature, which also happens to be highly flexible. This combination of strength and stretch helps to protect the lobster as it scrabbles across the seafloor, while also allowing it to flex back and forth to swim.
“The soft membrane in the underbelly of the American lobster is a hydrogel that contains 90 wt% water and exhibits extremely high fracture toughness (i.e., 24.98 MJ/m3) and tensile strength (i.e., 23.36 MPa) under cyclic loading,” the team explained. “Recent studies further revealed that the extraordinary mechanical properties of the lobster underbelly are mainly attributed to its unique multi-layered nanofibrous structure which consists of aligned chitin nanofibers in each layer.”
Back in 2019, Lin and other members of Zhao’s group developed a new kind of fatigue-resistant material made from hydrogel—a gelatin-like class of materials made primarily of water and cross-linked polymers. They fabricated the material from ultrathin fibers of hydrogel, which aligned like many strands of gathered straw when the material was repeatedly stretched. This workout also happened to increase the hydrogel’s fatigue resistance. “At that moment, we had a feeling nanofibers in hydrogels were important, and hoped to manipulate the fibril structures so that we could optimize fatigue resistance,” said Lin.
Nanofibrous hydrogels are found in both animal and plant bodies, and are also seen in engineering applications, the authors noted. “Owing to the merits of high porosity, high water content, and biocompatibility, nanofibrous hydrogels have been explored in diverse applications, including tissue regeneration, ionic skin, hemostatic dressings, cartilage repair, imperceptible textile sensors, printable electrodes for flexible implants, tissue adhesives, and small-scale bio-robots.”
For their newly reported development, the researchers combined a number of techniques to create stronger hydrogel nanofibers. Their process starts with electrospinning, a fiber production technique that uses electric charges to draw ultrathin threads out of polymer solutions. Electrospinning is one of the most widely used methods for fabricating nanofibrous hydrogels. However, as the scientists pointed out, “Existing electrospun nanofibrous hydrogels are typically weak and fragile because of the low strength of nanofibers and the weak interface between nanofibers.” And while scientists have introduced chemical crosslinks to boost the strength and toughness of nanofibrous hydrogels under a single cycle of mechanical load, “such reinforced nanofibrous hydrogels are still susceptible to fatigue failures under multiple cycles of mechanical loads.”
The team’s fabrication method used high-voltage charges to spin nanofibers from a polymer solution, to form a flat film of nanofibers, each measuring about 800 nm—a fraction of the diameter of a human hair. They placed the film in a high-humidity chamber to weld the individual fibers into a sturdy, interconnected network, and then set the film in an incubator to crystallize the individual nanofibers at high temperatures, further strengthening the material.
They tested the film’s fatigue-resistance by placing it in a machine that stretched it repeatedly over tens of thousands of cycles. They also made notches in some films and observed how the cracks propagated as the films were stretched repeatedly. From these tests, they calculated that the nanofibrous films were 50 times more fatigue resistant than the conventional nanofibrous hydrogels.
Around this time, the team also read a study by Ming Guo, PhD, associate professor of mechanical engineering at MIT, who characterized the mechanical properties of a lobster’s underbelly. This protective membrane is made from thin sheets of chitin, a natural, fibrous material that is similar in makeup to the group’s hydrogel nanofibers.
Guo found that a cross-section of the lobster membrane revealed sheets of chitin stacked at 36-degree angles, similar to twisted plywood, or a spiral staircase. This rotating, layered configuration, known as a bouligand structure, enhanced the membrane’s properties of stretch and strength. The investigators noted that while a bouligand structure is common for mineralized natural materials, and has been reproduced to generate synthetic hard materials, “ … engineering bouligand structures in soft hydrogels has been challenging.”
Lin commented, “We learned that this bouligand structure in the lobster underbelly has high mechanical performance, which motivated us to see if we could reproduce such structures in synthetic materials.” Ni, Lin, and members of Zhao’s group teamed up with Nelson’s lab and Radovitzky’s group in MIT’s Institute for Soldier Nanotechnologies, and Qin’s lab at Syracuse University, to see if they could reproduce the lobster’s bouligand membrane structure using their synthetic, fatigue-resistant films.
“We prepared aligned nanofibers by electrospinning to mimic the chitin fibers that existed in the lobster underbelly,” Ni said. After electrospinning nanofibrous films, the researchers stacked each of five films in successive, 36-degree angles to form a single bouligand structure, which they then welded and crystallized to fortify the material. The final product measured nine square centimeters and about 30 to 40 microns thick—about the size of a small piece of Scotch tape.
Stretch tests showed that the lobster-inspired material performed similarly to its natural counterpart, and was able to stretch repeatedly while resisting tears and cracks, a fatigue-resistance attributed to the structure’s angled architecture. “Intuitively, once a crack in the material propagates through one layer, it’s impeded by adjacent layers, where fibers are aligned at different angles,” Lin explained.
The team also subjected the material to microballistic impact tests with an experiment designed by Nelson’s group. They imaged the material as they shot it with microparticles at high velocity, and measured the particles’ speed before and after tearing through the material. The difference in velocity gave them a direct measurement of the material’s impact resistance, or the amount of energy it can absorb, which turned out to be a surprisingly tough 40 kilojoules per kilogram. This number is measured in the hydrated state.
“That means that a 5-mm steel ball launched at 200 meters per second would be arrested by 13 mm of the material,” Veysset said. “It is not as resistant as Kevlar, which would require 1 mm, but the material beats Kevlar in many other categories.”
And while it’s no surprise that the new material isn’t as tough as commercial antiballistic materials, the lobster belly-inspired nanofibrous hydrogel is significantly sturdier than most other nanofibrous hydrogels such as gelatin and synthetic polymers like PVA. The material is also much stretchier than Kevlar. This combination of stretch and strength suggests that, if their fabrication process can be scaled up and more films stacked in bouligand structures, nanofibrous hydrogels may serve as flexible and tough artificial tissues. “Here, we report a bioinspired design of strong and fatigue-resistant nanofibrous hydrogels that can closely mimic the bouligand structure of soft membranes in lobster underbelly,” the team concluded. “In this work, we provide a general strategy to design fatigue-resistant nanofibrous hydrogels by engineering nanofibers and nanocrystalline domains across varying length scales … This work suggests an avenue toward the next generation of nanofibrous hydrogels for diverse emerging applications, including lightweight physical protection, textile electronics, smart clothing, and tissue engineering scaffolds.”
Da:
https://www.genengnews.com/news/lobster-underbelly-inspires-nanofibrous-hydrogel-tech-for-tissue-engineering/?fbclid=IwAR3GKhfgvLthCLi9yAmufWReAlaSqatUZbK3k2AGw7nvT4HbKD0zgiRn8fo
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