Gli ingegneri trasformano l'arte in nuovi dispositivi

Nov 15, 2023

L'origami, l'arte di piegare la carta in oggetti tridimensionali, è pura espressione di estetica e geometria. Gli artisti “insegnano” un foglio di carta posizionandolo, trattenendolo e piegandolo secondo schemi precisi, le pieghe diventano “ricordi” nelle sue fibre. Crearlo può essere affascinante, persino gioioso. Ma ha molte altre potenziali applicazioni e vantaggi, e uno di questi è l’ingegneria del tessuto epatico artificiale per lo screening delle terapie mediche.

Carol Livermore, Ph.D., è professore associato di ingegneria meccanica presso la Northeastern University. “Il mio laboratorio stava lavorando su tecniche per l’assemblaggio diretto di piccoli oggetti, comprese le cellule, su superfici piane. Avevamo già un’ottima tecnica per posizionare cellule di diverse dimensioni o tipi dove volevamo, ma solo finché il tessuto necessario era piatto”.

Facendo un brainstorming con il suo team, la dottoressa Livermore si è concentrata sugli origami come un modo per sfruttare modelli 2D in oggetti 3D. “L’origami crea tutti i tipi di forme affascinanti, ma ha altre caratteristiche meno conosciute. Ad esempio, puoi progettare strutture in modo che ci sia un solo risultato probabile quando le pieghi.

Il loro progetto ha ricevuto un finanziamento di 2 milioni di dollari dalla National Science Foundation (NSF) e dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica americana, uno dei tanti progetti esplicitamente richiesti per utilizzare gli origami per un importante scopo ingegneristico e per includere artisti e matematici di origami.

Con il fisico e maestro di origami Robert J. Lang, Ph.D., a bordo, il team ha imparato a conoscere i progetti di origami a "singolo grado di libertà". "Fondamentalmente, se disegni le pieghe nei punti giusti, poi lasci una mano fissa in posizione e con l'altra mano afferra un'altra parte del foglio, la direzione che prenderà la piega diventa del tutto prevedibile", ha detto il dottor Livermore. "L'affidabilità è molto importante per i risultati ingegneristici."

La funzione epatica è difficile da replicare. Nel tessuto epatico, il sangue scorre attraverso minuscoli percorsi, chiamati sinusoidi, in modo che le molecole possano raggiungere i singoli strati di epatociti che filtrano le sostanze dal sangue.

“Questo schema si ripete, ancora e ancora, in un blocco di tessuto. Se i nutrienti e le sostanze chimiche che devono essere elaborate dal fegato non riescono a raggiungere un epatocita, questo non prospererà né sarà utile e sono necessari tutti questi strati incredibilmente sottili. Quindi è necessario il flusso attraverso i vasi sanguigni e la diffusione attraverso gli strati endoteliali. Ciò consente alle sostanze di raggiungere gli epatociti, proteggendoli allo stesso tempo dallo stress di taglio del flusso", ha spiegato il dottor Livermore.

L'origami, automaticamente una struttura a strati, era una soluzione ottimale. Nel tessuto artificiale dell'origami, le cellule sono state seminate su una robusta membrana di policarbonato nanoporosa rivestita di collagene per mantenere le cellule vitali, con minuscoli pori che funzionano come strati endoteliali che rivestono i sinusoidi. “Ora potremmo posizionare gli epatociti da un lato e le cellule endoteliali dall’altro. Avevamo il flusso del mezzo di coltura cellulare, come il sangue artificiale, su un lato della membrana nanoporosa, e gli epatociti e il mezzo di coltura cellulare dall’altro, e la diffusione attraverso la membrana, portando i nutrienti agli epatociti”.

Per dirigere il flusso è stato utilizzato il nastro biadesivo Kapton®, con fori tagliati al laser a intervalli precisi. Successivamente, i nastri biadesivi e le membrane sono stati piegati a fisarmonica a 90 gradi, più e più volte (per visualizzare, unire due strisce di carta ad angolo retto e piegare). I fori nel nastro piegato creavano un percorso di flusso. “La cosa bella è che questo ci ha dato la capacità di replicare ragionevolmente ciò che accade nel corpo. Il motivo dell'origami è stato piegato manualmente in modo deterministico, le sue pieghe predefinite dal laser; un'imitazione tecnica di come gli artisti di origami dispongono il loro lavoro."

La Dott.ssa Livermore e il suo team hanno recentemente completato il progetto NSF, raggiungendo il loro primo obiettivo: creare dispositivi in ​​tessuto artificiale che funzionino e rispondano alla terapia farmacologica come farebbero i tessuti umani.

Come l'origami, il kirigami prevede la piegatura, ma consente anche di tagliare e incollare. Katia Bertoldi, Ph.D., ricercatrice principale del Gruppo Bertoldi presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences dell'Università di Harvard, ha sperimentato a lungo questa forma, ad esempio, sviluppando robot morbidi che si muovono come serpenti, con scaglie di kirigami per locomozione. "Kirigami è una piattaforma semplice, che introduce tagli nella carta, ma è affascinante ciò che puoi realizzare con essa: così tante forme interessanti che si trasformano e si trasformano."