Appunti Sistemi Biomimetici

Sistemi biomimetici anno accademico 2016/2017

Autore: Enea Peretti
Politecnico di Torino

Indice

• Gianni Ciofani   2
• Chiara Tondaturo   39
• Gianluca Ciardelli   55
• Valeria Chiono   58

Sistemi biomimetici - Ciofani

Sistemi Biomimetici Ciofani 15.03.17
Prima della progettazione si studia e comprende il fenomeno biologico naturale da cui ci si ispira e dopo si sfruttano questi concetti nello sviluppo di costrutti ingegneristici.

La biomimetica:
È uno studio accurato dei processi biologici e biomeccanici della natura. Lo studio del fenomeno naturale è il primo momento a cui segue la progettazione bioispirata. Per poter sfruttare un determinato fenomeno o dispositivo naturale si deve prima di tutto studiarlo e conoscerlo. A partire da ciò si fa una sorta di reverse engineering per la progettazione del nostro dispositivo ispirata dalle conoscenze acquisite. La natura viene vista sotto molteplici aspetti come modello, misura e guida nella progettazione di artefatti tecnici. È fondamentale lo studio del dispositivo naturale. La bioispirazione (studio e riprogettazione di un fenomeno naturale) ha diversi ambiti tra cui il biomedicale oppure la realizzazione di design di autoveicoli. Ad esempio ci si ispira al volo degli uccelli per il design aerodinamico degli aerei. Le branchie dei pesci sono state studiate per la realizzazione di filtri per purificare le acque da sostanze inquinanti. Si studia il fenomeno e lo si applica in un dispositivo. Esistono nanomateriali bioispirati alle funzioni enzimatiche cellulari, sistemi di smart drug delivery. In robotica, ad esempio, si ha bioispirazione per realizzare protesi di mano artificiali che possano dare al paziente la sensazione di indossare una mano naturale; si parte dal modello della mano umana anche a livello nervoso e terminata la fase di studio si progetta l’artefatto robotico con le funzioni dell’arto da replicare naturale.

Velcro

Uno dei primi esempi di sistemi biomimetici elaborato è il velcro. È stato elaborato negli anni '40 a partire dall’idea di ispirarsi da dei fiori che rimanevano adesi ai vestiti. Ha studiato il meccanismo di adesione dei fiori, una forte interazione fisica tra i fiori e i tessuti. Il meccanismo si comprende osservando a livello microscopico la struttura dei fiori che hanno una serie di micro-nano uncini che permettono una stretta interazione con i tessuti con cui vengono a contatto. Si sono riprodotti in modo fedele i microuncini di questi fiori. La parte a uncino del velcro è ispirata dalla struttura di questi fiori. Sono interazioni non covalenti.

Foglie di loto

Un altro esempio è dato dalle foglie di loto, pianta acquatica con foglie con tensioni superficiali che danno caratteristica di alta idrofobicità e autopulenti. Essendo molto idrofobiche, l’acqua invece di sparpagliarsi si presenta a gocce che rotolano sulle foglie pulendole. Si ha superidrofobicità e in conseguenza di questo si ha una proprietà autopulente. Si è partiti dal modello biologico, si è studiato quali sono le cause delle caratteristiche e si è cercato di realizzare prodotti artificiali che riproducessero fedelmente le proprietà. La superidrofobicità è data da un mix di proprietà chimiche e fisiche: sulla superficie delle foglie abbiamo una superficie rugosa con microasperità data dalle singole cellule epidermiche, scendendo nella nanoscala ci si rende conto che sulle superfici delle cellule sono presenti anche asperità costituite da una cera che forma lunghe catene idrofobiche che determinano la superidrofobicità della foglia. Si ha la presenza di nanotuboli cerosi (proprietà chimica) e la proprietà fisica della foglia data dai micropillar delle cellule epidermiche. Le papille possono presentare altezza variabile e hanno diametro di 3-5 micron. Il fatto che le altezze delle papille non sono tutte uguali influenza l’efficienza autopulente in positivo, fossero tutti uguali l’acqua scorrendo non riuscirebbe ad autopulire. C’è sempre un’intercapedine di aria tra i micropillar che consente una separazione tra la foglia e l’acqua, non si ha mai una completa immersione della foglia nell’acqua e ci sono forze di repulsione sulla cuticola della foglia di loto. Le diverse altezze danno forze di adesione e repulsione efficienti per garantire lo scorrimento delle gocce d’acqua. A partire dallo studio della foglia di loto sono stati sviluppati sistemi artificiali che cercano di riprodurre questo sistema naturale: vernici idrofobiche, impermeabili e autopulenti. Queste vernici hanno applicazioni in molti ambiti tecnologici, uno dei principali è l’ambito naturale per facilitare la navigazione di imbarcazioni così da ottimizzare l’interazione tra lo scafo e l’acqua. L’intercapedine d’aria fa in modo che l’acqua sia sempre a contatto con l’aria e non con la struttura principale così da ridurre gli attriti e migliorare l’idrodinamica del veicolo.

Tessuti ispirati alla pelle dello squalo

Un altro esempio è rappresentato da tessuti ispirati alla pelle dello squalo. La bioispirazione ha duplice valenza: da un lato si cerca un miglioramento delle proprietà fluidodinamiche di superfici che devono stare a contatto con l’acqua (la pelle dello squalo si è evoluta da ottimizzare gli spostamenti dello squalo in mare), dall’altra parte la pelle di squalo ha proprietà antibatteriche. La proprietà antibiotica della pelle di squalo è data dalla sua nanostrutturazione che è in grado di limitare l’adesione e proliferazione delle cellule batteriche. Si sfrutta una struttura antibiotica senza necessità di farmaco. Si può pensare una applicazione all’impianto di protesi d’anca rivestendola con una superficie bioispirata alla pelle di squalo limitando quindi l’utilizzo di antibiotici, che ad alte dosi risultano tossici. Si ha la possibilità di modulare gli eventi biologici, attivare comportamenti cellulari attraverso la topografia superficiale. La crescita batterica è molto rallentata su una superficie sharklet rispetto a una superficie liscia. L’antibattericità è dovuta alla presenza di pillar che vanno ad interferire con l’adesione batterica, azione fisica della superficie.

Auto bionica

Automobili ispirate al pesce scatola. Studiando il comportamento del pesce scatola si è notato che la sua struttura consente al pesce una minimizzazione dell’energia che necessita per nuotare. Ci si è ispirati a questa geometria per realizzare un’auto e ci si è resi conto che i consumi sono ridotti grazie alla forma ispirata dal pesce scatola.

Geco-robot

Le zampe del geco sono capaci di aderire su quasi tutte le superfici. Il meccanismo di interazione della zampa con la superficie è una interazione di tipo esclusivamente fisico dovuto alla microstrutturazione e topografia della zampa del geco. Dallo studio della zampa si sono sviluppati robot in grado di aderire sulle superfici. La zampa del geco ha a livello microscopico delle setole ad altissima densità, sommando tutte le interazioni deboli di ogni setola con le superfici abbiamo a disposizione una forza enorme che consente al geco di arrampicarsi. Le setole a loro volta hanno una struttura che parte da un corpo principale di una decina di micron e si diramano in strutture sempre più sottili fino al nanometro per ottimizzare le interazioni deboli. Riescono ad aderire a una enorme varietà di superfici, sono autopulenti. L’unica eccezione di mancata interazione favorevole è la superficie in teflon perché le interazioni deboli di Van der Waals sono estremamente basse.

Robot bioispirati al volo delle mosche

Peptidi biomimetici-crema solare:
Nelle creme solari è presente un peptide biomimetico che stimola la produzione di melanina e induce una abbronzatura più rapida e duratura.

Crema per peeling anti invecchiamento

Creme che favoriscono la desquamazione della pelle. Lo strato corneo della pelle è costituito da corneociti, con l’età la pelle perde proprietà di desquamazione e di potersi rinnovare in tempi rapidi. Si sono sviluppate creme che accelerano il processo di desquamazione e rinnovamento dello strato superiore della pelle. Si sono elaborati dispositivi cosmetici bioispirati da una serie di peptidi che in un contesto naturale favoriscono la desquamazione della pelle. Le cellule dello strato corneo della pelle sono tenute assieme da giunzioni cellule-cellula chiamati desmosomi, mediati dalle caderine. Le caderine sono la desmocolina e la desmogleina. Quando la pelle si rinnova vengono meno le interazioni tra desmocolina e desmocolina, le cellule sono più facilitate a staccarsi. Con l’invecchiamento la desquamazione è rallentata e si ha un rate di rinnovamento dello strato superficiale molto più lungo. Con prodotti farmaceutici si accelera questo processo promuovendo la separazione delle caderine. Originariamente si interveniva con una strategia chimica, somministrare sulla pelle sostanze che andassero a sottrarre gli ioni calcio, così da far venire meno il legame tra caderine; ma gli agenti chelanti del calcio hanno effetti collaterali sulla cellula (infiammazione e aumento sensibilità). La nuova idea è stata cercare di separare le due caderine con nuove strategie bioispirate, studiando i meccanismi di iterazione ci si è resi conto che esistono frammenti di proteina che vanno ad interferire nel legame tra caderine promuovendo il distacco di cellule adiacenti. Invece di somministrare sostanze chimiche aggressive si somministrano peptidi bioispirati a peptidi naturali che inibiscono il legame caderina-caderina. (arg-ala-Nle tripletta fondamentale per riconoscere i siti di legame). Il frammento di peptide separa fisicamente le caderine.

PT2 Fotopolimerizzazione a due fotoni

Ha fondamentale importanza nell’ambito di progettazione di dispositivi di ingegneria tessutale la topografia, la micro e nano strutturazione. Modulando la topografia delle superfici possiamo modulare il comportamento delle cellule, possiamo attivare singoli geni nella cellula, determinate vie di signaling. Esistono diverse tecnologie per realizzare strutture ispirate alla topografia della matrice extracellulare. Alcune tecnologie consentono di sviluppare la biomimicità anche a livello nano. Le tecnologie classiche hanno limitazioni intrinseche legate alla risoluzione delle feature superficiali. Riusciamo ad ottenere strutture nanometriche ma non in modo proprio riproducibile. Un aiuto notevole è dato dalla fotopolimerizzazione a due fotoni, attraverso questa tecnologia realizziamo superfici con caratteristiche topografiche dell’ordine dei nanometri e riusciamo a riprodurre in modo fedele un modello biologico naturale. La fotopolimerizzazione a due fotoni è un'evoluzione delle tecnologie fotolitografiche tradizionali, processo che sfrutta un’energia radiante (energia luminosa UV) per modificare la chimica superficiale di alcuni materiali opportuni ed attraverso l’alterazione delle proprietà di solubilità si realizzano strutture con un approccio top-down. Usiamo un materiale (resist) che viene irraggiato con radiazione luminosa e il materiale cambia le proprietà chimiche e siamo in grado di trasferire un pattern sul materiale.

Funzionamento fotopolimerizzazione tradizionale

Abbiamo una sorgente radiante di luce UV che colpisce un film costituito da un resist, materiale fotopolimerizzabile. La radiazione viene fatta passare attraverso una maschera fotolitografica dove abbiamo disegnato il pattern che vogliamo riprodurre sul resist. La radiazione passa e proietta il disegno della maschera sul film di resina trasferendo il disegno sul materiale. Le zone colpite dalla radiazione definite dalla maschera cambiano la proprietà di solubilità del resist. Possiamo rendere il resist con l’irraggiamento solubile o insolubile a un determinato solvente organico. Le componenti principali sono la sorgente luminosa, la maschera contenente il disegno e il materiale.

2 tipi di fotoresist material

• Negativi: diventano insolubili quando colpiti dalla radiazione luminosa.
• Positivi: colpiti dalla radiazione UV diventano solubili e si disciolgono in solvente organico.

In genere i fotoresist negativi consentono una maggiore computazione perché meno costosi ma hanno minore risoluzione rispetto ai positivi. Si parte da un substrato dove depositiamo uno strato di materiale fotoresist, si distribuisce un layer di fotoresist e lo si irraggia con sorgente UV. La radiazione UV viene convogliata sul fotoresist attraverso la maschera in cui è stato disegnato il pattern che si vuole sulla struttura finale. Nel negativo dopo il lavaggio col solvente resta il resist colpito da radiazione, il positivo invece funziona in modo opposto.

Limitazioni della fotolitografia tradizionale

• Risoluzione delle strutture limitata da due parametri:
• Lunghezza d’onda della radiazione che stiamo usando (raggi UV), la risoluzione non può essere inferiore alla lunghezza d’onda.
• Maschera: la maschera è lavorata con tecnologie di nanofabbricazione con risoluzione almeno pari a quella della struttura che voglio realizzare sul resist.

Si è cercato di utilizzare raggi X invece di UV per diminuire la lunghezza d’onda per migliorare la risoluzione, ma la sorgente di raggi X è meno reperibile. Si è cercato di realizzare maschere litografiche sempre più complesse.

Con la fotolitografia classica si ottengono solo strutture bidimensionali, si è cercato di lavorare strutture 3D per strati successivi cambiando maschere per ogni strato, ma è complicato perché occorre un allineamento delle maschere preciso a livello nano.

Non è possibile realizzare strutture 3D per due motivi:

• Scarsa capacità di penetrazione dei raggi UV in un materiale 3D.
• Anche se si riesce ad ottenere notevoli profondità di penetrazione abbiamo la fotopolimerizzazione di tutti gli strati superiori, non si riesce a confinare la fotopolimerizzazione in un determinato voxel nel volume del materiale senza intaccare gli strati superiori.

Fotolitografia a due fotoni

2 caratteristiche principali rispetto alla tradizionale:

• La sorgente della radiazione non è raggi UV ma si usano 2 fotoni nell’infrarosso o vicino infrarosso. Per la legge di Planck E=h*ν, si usano 2 fotoni al doppio della lunghezza d’onda che quindi contengono la stessa quantità di energia. La capacità di penetrazione della radiazione del vicino infrarosso è superiore rispetto a quella dei fotoni nell’UV dove si usa un solo fotone. L’energia è la stessa. Si riesce a fare strutture 3D.
• Scrittura laser diretta: Non necessita della maschera litografica. Il laser si comporta come un pennello e disegna in un contesto 3D la struttura progettata su CAD.

La sorgente laser a due fotoni viene fatta convogliare con un sistema di lenti e colpisce il resist depositato su un substrato, si scolpisce la struttura con un laser. Possiamo focalizzare l’energia in un determinato voxel in un contesto tridimensionale senza fotopolimerizzare gli strati soprastanti, tecnologia mask-less. Invece di usare un unico fotone con un determinato pacchetto di energia e lunghezza d’onda usiamo due fotoni con doppia lunghezza d’onda e quindi metà energia.

Caratteristiche dei materiali che possiamo usare con la fotolitografia

• Devono essere trasparenti al vicino infrarosso.
• Fotopolimerizzabili a quelle energie che corrispondono alla metà della lunghezza d’onda che stiamo utilizzando.

Usando due fotoni siamo in un ambito dell’ottica non lineare e non vale più il limite della diffrazione (In fisica, fenomeno che si manifesta tutte le volte che un'onda incontra un ostacolo (per es. un foro, una fenditura) e per il quale tutti i punti dell'ostacolo diventano sorgenti di altre onde sferiche coerenti ed elementari; al di là dell'ostacolo opaco le onde riescono a raggiungere anche punti che resterebbero in ombra se la propagazione fosse semplicemente rettilinea. Gli effetti di diffrazione sono rilevanti quando la lunghezza d'onda è comparabile con la dimensione dell'ostacolo).

Si parte dal vetrino posizionato al di sopra del microscopio invertito, si deposita una goccia di fotoresist e si danno istruzioni alla macchina sulla struttura che vogliamo realizzare. Vengono polimerizzati i singoli voxel ottenendo la struttura 3D dopo il lavaggio in solvente organico.

Applicazioni

È nata per applicazioni microfluidiche per la scalabilità dei dispositivi fluidici tradizionali. Sono utilizzati in fotonica per la produzione di lenti micro. Nella biotecnologia è usata nello studio dell’interazione di una cellula con la topografia di un substrato. La tecnologia ha reso possibile la realizzazione di microscaffold per differenziamento cellulare. Si è riusciti ad ottenere strutture bioispirate al geco e foglia di loto con un grado di risoluzione elevata. I tempi di lavorazione sono molto lunghi (anche una settimana di lavoro). Nella lavorazione il laser rimane fisso e lo stage si muove.

Sistemi biomimetici Ciofani 22.03.17

Esempi direct laser writing

Esempio cellule neuronali

Caratteristiche sistema nervoso e cellule nervose:
Il sistema nervoso ha 3 funzioni principali:

• Ruolo legato agli organi sensoriali: il corpo attraverso il sistema nervoso riesce a monitorare quello che sta succedendo nell’ambiente circostante con i recettori, codificarlo in impulsi elettrici. La codifica sensoriale avviene anche all’interno dell’organismo, sistemi sensoriali interni che permettono di capire cosa sta succedendo.