Un materiale super-forte ispirato alle patelle. E’ paragonabile alla fibra di carbonio e al Klevar

Un team interdisciplinare dell'università di Portsmouth ha coltivato con successo un biomateriale con una resistenza estrema

[14 Luglio 2022]

Le patelle sono dotate di una lingua irta di minuscoli denti microscopici  – la radula – per raschiare il cibo dalle rocce e portarselo alla bocca, questi denti contengono un composito duro ma flessibile, che lo studio “Extreme strength observed in limpet teeth”, pubblicato nel 2015 sul  Journal of the Royal Society Interface da ricercatori dell’università di Portsmouth ha rivelato essere «Il materiale biologicamente più resistente conosciuto, molto più forte della seta di ragno e paragonabile alle sostanze artificiali, tra cui la fibra di carbonio e il kevlar».

Il team ha ora imitato con successo la formazione dei denti di patella in un laboratorio e ha usato il procedimento per creare un nuovo biomateriale composito. Il tutto è spiegato nel nuovo studio “Biomimetic generation of the strongest known biomaterial found in limpet tooth”, pubblicato recentemente su Nature Communications da un team interdisciplinare dell’università di Portsmouth, secondo il quale questo materiale «Ha il potenziale per essere trasformato in qualcosa che potrebbe rivaleggiare con la forza e la flessibilità dei sintetici, ma essere smaltito senza generare prodotti di scarto dannosi».

Il principale autore dello studio, Robin Rumney, della School of pharmacy and biomedical sciences dell’università di Portsmouth, ricorda che «I compositi completamente sintetici come il Kevlar vengono ampiamente utilizzati, ma i processi di produzione possono essere tossici, i materiali difficili e costosi da riciclare. Qui abbiamo un materiale che potenzialmente è molto più sostenibile in termini di come viene acquisito e prodotto e, alla fine della sua vita, può essere biodegradato».

Si pensa che il segreto della forza dei denti della patella sia una struttura unica che contiene una combinazione di fibre flessibili e fitte di chitina, intervallate da cristalli fini di goethite, un minerale contenente ferro. Queste fibre sono intrecciate l’una con l’altra più o meno allo stesso modo in cui le fibre di carbonio possono essere utilizzate per rafforzare la plastica.

All’università di Portsmouth spiegano che «I ricercatori hanno sviluppato metodi che hanno permesso a queste popolazioni cellulari di crescere al di fuori del loro ambiente naturale su un vetro rivestito di siero, dove hanno depositato chitina e ossido di ferro proprio come nel dente della patella. Sorprendentemente, dopo due settimane si sono auto-organizzati in strutture che assomigliavano all’organo della patella, noto come radula, che forma i denti. Questo tipo di rigenerazione estremamente potente è stato osservato anche nelle spugne, ma mancano della complessa disposizione di tessuti e organi che si trova nelle patelle e in altri molluschi».

Rumney ha persino trovato il modo di far crescere nastri di denti da campioni di tessuto e singoli denti da popolazioni contenenti cellule staminali, e racconta: «Ho passato 6 mesi a impostare questo processo. Ho attraversato ogni tipo di permutazione a cui potevo pensare per ciò di cui le cellule potrebbero aver bisogno e come sarebbero cresciute. E’ molto diverso dalla crescita di batteri o cellule tumorali che comunemente crescono in un ambiente di laboratorio, quindi abbiamo dovuto capire da zero cosa avrebbe funzionato».

Dopo aver replicato con successo la formazione del dente della patella, il team di ricercatori è stato in grado di produrre campioni di biomateriale larghi mezzo centimetro e lo ha fatto mineralizzando un foglio di chitina, che è un sottoprodotto di scarto dell’industria della pesca che si trova negli esoscheletri di crostacei, granchi e gamberetti.

Ora che esiste il proof of concept, Rumney e il team vogliono esplorare la possibilità che questi minidischi possano essere ampliati e prodotti in serie.

Rumney sottolinea che «Il nostro prossimo passo è trovare altri modi per ottenere la formazione di ferro, quindi stiamo studiando le secrezioni delle cellule della patella per capirlo meglio. Se funziona bene davvero, allora abbiamo già le letture dei geni dell’organo in modo da poter estrarre i geni di interesse e, si spera, inserirli in batteri o lieviti per farli crescere su larga scala. Ovviamente, attualmente abbiamo una crisi della plastica negli oceani e penso che sia una bella simmetria che possiamo imparare da una creatura marina come proteggerla meglio sostituendo l’uso della plastica con un sostituto biologico. Questo è stato un progetto veramente interdisciplinare, con il pieno supporto dei biologi marini e il coinvolgimento attivo del nostro bioinformatico residente che ha quantificato tutte le letture geniche della radula che produce i denti. Inoltre, non avremmo potuto raggiungere i nostri obiettivi senza gli ingegneri che hanno eseguito l’analisi dei raggi X e i test meccanici e i chimici che hanno contribuito a sviluppare il materiale».

L’autore senior dello studio, Darek Gorecki, anche lui  della School of pharmacy and biomedical science dell’università di Portsmouth, conclude: «Ho iniziato questo progetto come curiosità, come una sfida per vedere se saremmo riusciti a coltivare cellule dalla patella utilizzando i principi applicati nel mio laboratorio per la coltura di cellule di mammiferi. Non è stata solo una ricerca blue-sky, nella quale le applicazioni del mondo reale non sono immediatamente evidenti, è stato quasi un progetto pie-in-the-sky. Quando funziona, è qui che la scienza dà il meglio di sé».