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Assemblaggio biomimetico di blocchi nanostrutturati

La natura è una fonte di ispirazione per i nuovi processi di assemblaggio e mineralizzazione, rilevanti al fine di ottenere dispositivi intelligenti multifunzionali. Un progetto finanziato dall’UE ha sfruttato questo nuovo processo per la produzione flessibile di dispositivi di filtraggio con scambiatore di calore e di umidità, scaffold dentali e tessuti fotovoltaici.
Assemblaggio biomimetico di blocchi nanostrutturati
I processi di mineralizzazione ispirati alla biologia si basano sulla nucleazione eterogenea di fasi inorganiche aventi dimensioni nanometriche, come per esempio il fosfato o il carbonato di calcio, su modelli biologici 3D che si assemblano in modo complesso, grazie alle informazioni scambiate a livello molecolare. Molti organismi viventi sfruttano questo processo per costruire strutture con funzioni di sostegno e protezione (per esempio gli esoscheletri di insetti e molluschi, e gli endoscheletri dei mammiferi).

Nuove procedure di chimica verde permettono l’attivazione in laboratorio dei meccanismi di controllo alla base di tale insieme di fenomeni complessi, per guidare in modo flessibile la formazione controllata di nuovi materiali ibridi al fine di fermare le nanoparticelle in uno spettro granulometrico critico. Le possibili applicazioni sono date da riscaldamento e idratazione controllati dei gas medicinali, scaffold per la rigenerazione dei tessuti dentali e fibre fotovoltaiche per l’integrazione all’interno di nuove celle solari Dye.

Questi nuovi processi ispirati alla biologia per lo sviluppo di dispositivi multifunzionali intelligenti con ampia applicazione in settori quali salute, ambiente, energia e sicurezza sono stati studiati all’interno del progetto SMILEY (Smart nano-structured devices hierarchically assembled by bio-mineralization processes), finanziato dall’UE.

Uno dei punti forti di questi processi è l’utilizzo di abbondanti materie prime ecologiche come polimeri e fibre naturali. Tali materiali vengono miscelati inducendo un collegamento chimico o fisico tra i diversi biopolimeri o tra le fibre naturali, generando così matrici biopolimeriche composite, utilizzate per sviluppare blocchi di dimensioni nanometriche successivamente sottoposti a montaggio ispirato alla biologia e mineralizzazione. In questo contesto, i potenziali materiali e processi sono stati selezionati e testati, e i migliori candidati sono stati scelti per ulteriori sviluppi.

I ricercatori hanno costruito prototipi di dispositivi per lo scambio di calore e umidità (HME) con proprietà di filtraggio dell’aria. I dispositivi HME possono essere utilizzati per i gas di umidificazione e riscaldamento di ventilatori polmonari per pazienti che necessitano di assistenza respiratoria. I filtri per l’aria potrebbero ricoprire un ruolo importante non solo nei processi di produzione ma anche in caso di disastri naturali, demolizione di edifici o guerra.

Il team ha inoltre sviluppato scaffold che imitano vari tessuti importanti nella riparazione dei denti, compresi periodonzio (osso alveolare, legamento periodontale e cemento) e dentina. La rigenerazione dentale costituisce una necessità clinica ancora insoddisfatta e si prevede che essa produca un grande balzo in avanti nella qualità della vita della popolazione europea. In effetti, la perdita dei denti, e una funzione orale compromessa, accompagnate da una serie di effetti collaterali a livello sistemico, hanno probabilità di subire un aumento, e la nuova biotecnologia sviluppata con il progetto SMILEY contribuirà a mantenere la piena mobilità e la capacità di masticazione anche in età avanzata.

In ultima analisi, il team ha studiato varie fibre naturali e la modificazione di superfici volte ad attivare gruppi funzionali superficiali che permettono una nucleazione eterogenea di nanofasi inorganiche. Su questa base, sono stati sviluppati nuovi materiali con proprietà fotovoltaiche così come sono stati prodotti prototipi di fotoanodi fibrosi. Lo sviluppo di nuovi fotovoltaici flessibili darà un importante contributo alle attuali sfide relative alla produzione di energia quando integrati in abbigliamento, tende, edifici o serre.

Infine, il progetto SMILEY ha sviluppato nanomateriali ispirati alla natura per l’utilizzo all’interno di dispositivi che supportano e proteggono l’ambiente e i propri abitanti.

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Keywords

Mineralizzazione ispirata alla biologia, scaffold dentali, tessuti fotovoltaici, dispositivi nanostrutturati, filtri dell’aria