Trovato un minerale raro nei denti di un mollusco

Per la prima volta è stato scoperta la santabarbarite in un organismo vivente, può essere usata per un inchiostro super-resistente per la stampa 3D

[8 Giugno 2021]

Lo studio “Persistent polyamorphism in the chiton tooth: From a new biomineral to inks for additive manufacturing” pubblicato su  Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) da un team di ricercatori della Northwestern University e dell’Argonne National Laboratory, ha scoperto per la prima volta la santabarbarite, un minerale raro, nascosto all’interno dei denti di un  grande mollusco, il chitone di fuoco occidentale (Cryptochiton stelleri), che vive lungo le coste rocciose. Prima di questa strana scoperta, la santabarbaraite, un idrato minerale di idrossifosfato ferrico amorfo che è stato scoperto in Toscana nel 2000 e poi nel Victoria, in Australia, e ne Lago Bajkal in Russia,  era stata documentata solo nelle rocce.

Alla Northwestern University  sottolineano che «La nuova scoperta aiuta a capire come l’intero dente di chitone, non solo la cuspide ultradura e durevole, sia stato progettato per resistere alla masticazione di  rocce per nutrirsi». Sulla base dei minerali trovati nei denti dei chitoni, i ricercatori hanno sviluppato un bio-inchiostro per la stampa 3D di materiali ultraduri, rigidi e durevoli.

L’autore senior dello studio, Derk Joester, di Materials science and engineering della Northwestern University, spiega che «Questo minerale era stato osservato solo in campioni geologici in quantità molto piccole e non era mai stato visto prima in un contesto biologico. Ha un alto contenuto di acqua, il che lo rende forte con una bassa densità. Pensiamo che questo potrebbe indurire i denti senza aggiungere molto peso».

Il principale autore dello studio, Linus Stegbauer  un ex borsista post-dottorato nel laboratorio di Joester e ora ricercatore capo all’Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP dell’Universität Stuttgart  ricorda che «Uno dei materiali più duri conosciuti in natura, i denti di chitone sono attaccati a una radula morbida, flessibile, simile a una lingua, che raschia le rocce per raccogliere alghe e altro cibo».

Joester e il suo team  studiano da tempo i denti di chitone e di recente si sono cominciati a interessare del  Cryptochiton stelleri, un chitone gigante bruno-rossastro che per il suo aspetto viene anche chiamato “polpettone errante”.

Per esaminare un dente da Cryptochiton stelleri, il team di Joester ha collaborato con  Ercan Alp, uno scienziato dell’Advanced Photon Source dell’Argonne National Laboratory, per utilizzare l’Advanced Photon Source e con Paul Smeets della Northwestern University per utilizzare il transmission electron microscopy al Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization and Experiment (NUANCE) e i ricercatori hanno trovato la santabarbaraite nello stilo superiore del chitone, una struttura lunga e cava che collega la testa del dente alla membrana flessibile della radula.

Joester spiega a sua volta che «Lo stilo è come la radice di un dente umano, che collega la cuspide del nostro dente alla nostra mascella. E’ un materiale duro composto da nanoparticelle estremamente piccole in una matrice fibrosa composta da biomacromolecole, simili alle ossa del nostro corpo».

Il team di Joester è riuscito a ricreare questo materiale in un inchiostro progettato per la stampa 3D. Stegbauer ha sviluppato un inchiostro reattivo comprendente ioni ferro e fosfato miscelati in un biopolimero derivato dalla chitina. Insieme a Shay Wallace, della Northwestern, Stegbauer ha scoperto che l’inchiostro si stampava bene se miscelato immediatamente prima della stampa.

Joester sottolinea che «Man mano che le nanoparticelle si formano nel biopolimero, diventa più forte e più viscoso. Questa miscela può quindi essere facilmente utilizzata per la stampa. La successiva essiccazione all’aria porta a un materiale finale duro e rigido».

Joester è convinto che possiamo continuare a imparare a sviluppare materiali ispirati allo stilo del chitone, che collega i denti ultra-duri a una radula morbida e conclude: «Siamo stati affascinati dal chitone per molto tempo. Le strutture meccaniche sono buone solo quanto lo è il loro anello più debole, quindi è interessante sapere come il chitone risolve il problema ingegneristico di come collegare il suo dente ultraduro a una struttura sottostante morbida. Questa resta una sfida significativa nella manifattura moderna, quindi guardiamo a organismi come il chitone per capire come questo viene fatto in natura, che ha avuto un paio di centinaia di milioni di anni di tempo per svilupparsi».