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Un’interazione poco conosciuta: parliamo dei Bieccitoni.

Purtroppo il lavoro in queste settimane mi ha bloccato e non mi sono potuto occupare del blog.
Oggi per fortuna ho cinque minuti e quindi eccomi qui.
Con l’intervista al presidente di Almo Nature posso dire praticamente chiusa la mia “battaglia”, e quindi si passa oltre.
Casualmente stavo rivedendo i vecchi files usati durante l’università, e ho ritrovato un’interessante presentazione che avevo fatto al quarto anno. Sinceramente l’argomento non è dei più facili, ma cercherò di spiegarlo nel modo più facile possibile.

Oggi parliamo di Bieccitoni, cioè dell’interazione che viene a formarsi tra due Eccitoni.
La maggior parte di voi immagino non abbia mai sentito neanche parlare di Eccitoni… ma vi prometto che se continuerete a leggere questo breve post avrete scoperto una cosa nuova. E non so voi, ma io adoro scoprire cose nuove e ampliare le mie conoscenze.
Quando ho parlato dei pannelli solari, ed in particolare del drogaggio del silicio, ho introdotto il concetto di elettrone e lacuna.
Nel momento in cui un elettrone e una lacuna vengono formati, come potete immaginare ci sarà un’interazione tra loro.
Ecco, un Eccitone (X) rappresenta esattamente quella interazione. Nel momento in cui abbiamo due coppie elettrone/lacuna avremo due Eccitoni, e quindi un Bieccitone (XX). La formazione di un Bieccitone (che è un bosone) è un processo equivalente a quello che porta alla creazione di un molecola di idrogeno a partire da due atomi isolati.

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L’instaurazione del legame nel Bieccitone provoca un abbassamento in energia rispetto alla somma delle energie dei singoli Eccitoni, sperimentalmente misurabile.
Per semplificare i conti ipotizziamo di studiare il sistema attraverso un modello 2-D.
In approssimazione di massa effettiva, l’Hamiltoniana del sistema, che consiste in due elettroni (1 e 2) ed in due lacune (a e b), è data da:

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Per il modello introdotto, è conveniente fare un cambio di coordinate, in modo da semplificare ancora di più i conti, utilizzando le coordinate relative tra gli Eccitoni e quella relativa al centro di massa.
Immagine5Facendo il cambio di coordinate fatto in tabella, e imponendo le seguenti relazioni (cioè massa effettiva e ridotta del Bieccitone):
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si ricava una formula dell’Hamiltoniana (cioè della funzione che descrive l’energia) molto più semplice.
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Da una parte si hanno le energie relative e del centro di massa separate, mentre nella seconda parte si nota la parte di interazione.
Passando alla forma adimensionale (cosa comune nei conti di MQ) e introducendo σ come il rapporto tra la massa dell’elettrone e della lacuna, si ricava finalmente una “semplicissima” equazione:

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Praticamente in questo modo si dimostra che il comportamento del Bieccitone è uguale a quello di una molecola di idrogeno.
Per trovare l’energia di legame (pari a due volte l’energia dell’Eccitone meno quella del Bieccitone), dovremo trovare la funzione d’onda che soddisfa l’equazione di Schrödinger.
I conti sono gli stessi che si fanno per la molecole di idrogeno e danno come risultato la seguente funzione d’onda:

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in cui l’ultimo termine è un termine di scambio (cioè la stessa cosa scambiando 1 con 2) e le ϕ indicano gli orbitali di Slater 1s.

Come si può vedere nel grafico il rapporto tra l’energia di legame e quella del singolo eccitone parte da un valore per poi scendere fino a tendere ad una costante per valori di σ>0,4.

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Oltre a semplici modelli però, sono presenti molti risultati sperimentali, infatti i fenomeni di interazione eccitone/eccitone non sono però visibili in tutti i materiali e le strutture.

Per osservarli sperimentalmente esistono tre possibilità:
1.Eccitazione da una banda eccitonica ad una bieccitonica (esperimento pump-probe).
2.Far assorbire due fotoni per passare dallo stato fondamentale allo stato di Bieccitone.
3.Tramite luminescenza da uno stato di Bieccitone fino a formare due Eccitoni in sistemi ad alta densità.

In particolare vengono studiare i Bieccitoni in CNTs e QDs.

La struttura di un nanotubo di carbonio (di cui abbiamo già parlato) può essere immaginata come un grafene arrotolato lungo un determinato asse. I nanotubi di carbonio inoltre possono essere classificati sia per il modo di arrotolamento (chiralità) sia in SWCNTs (CNTs a parete singola) o in MWCNTs (CNTs a parete multipla), in cui più CNTs sono posti in strutture concentriche.
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Misurando l’energia di legame si può notare un andamento inversamente proporzionale al raggio del nanotubo stesso, come si vede in figura.

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Un Quantum Dot (punto quantico) invece è una nanostruttura formata da un’inclusione di un materiale semiconduttore con una certa banda proibita e con dimensioni comparabili con la lunghezza d’onda di De Broglie, all’interno di un altro semiconduttore con una gap maggiore. Questa struttura genera un pozzo di potenziale tridimensionale che confina elettroni e lacune.
In questo modo anche gli Eccitoni risultano confinati nelle tre dimensioni spaziali.
Nei QDs, proprio per questo motivo, sono stati osservati sia i tempi di vita che le energie di legame, soprattutto in QDs di CuCl e di CdSe/ZnSe.

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Come si può vedere i tempi di vita caratteristici dei Bieccitoni nei QDs sono di circa 310 ps, che sono molto più alti di quelli nei semiconduttori.

In conclusione,  abbiamo visto che i Bieccitoni sono delle quasiparticelle di tipo bosonico che si osservano in presenza di accoppiamento Eccitone/Eccitone e che hanno tempi di vita nell’ordine di 10-12 secondi.
Possono essere valutati con modelli teorici e studiati per via sperimentale.
Per quel che riguarda i modelli teorici, la trattazione è simile a quella di un atomo di idrogeno.
Per quanto riguarda invece la parte sperimentale, si prendono in considerazione (per ora) soprattutto sistemi di semplice e limitata geometria, come i nanotubi di carbonio ed i quantum dots.

Saluti,

MMarans.

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Conoscere la “fatina delle cellule”… anche se solo di vista!

Non capita spesso di conoscere una “star”, soprattutto se giovane… e la cosa non può non rendermi orgoglioso dei miei studi per l’impegno che ho messo e della mia Università.
Non fraintendetemi, tra i miei Professori ci sono molti scienziati di spicco, anche a livello mondiale, ma essere famosi scienziati intorno ai trent’anni non è da tutti (e spero un giorno di riuscirci anche io, visto che sono ancora in tempo!).

E’ questo il caso della Ilaria Cacciotti, meglio conosciuta come la “fatina delle cellule”, dopo un articolo uscito sul Corriere della Sera correlato di un interessantissimo video che vi consiglio di vedere (lo trovate qui sotto), realizzato dalla bravissima giornalista scientifica Alessandra Arachi.

http://video.corriere.it/fatina-cellule/dd8f7404-ee01-11e2-98d0-98ca66d4264e

Ilaria, che conosco per avermi fatto delle assistenze durante alcuni corsi della Laurea Magistrale, è una ragazza simpatica e intelligente, che risalta subito per l’elevata conoscenza ma soprattutto per la gentilezza e la disponibilità. Insomma, una di quelle assistenti che si ricorda positivamente (al contrario di altri).

Ilaria Cacciotti

Ilaria Cacciotti

E’ divenuta famosa dopo aver vinto il prestigioso Premio Unesco nel 2011, finanziato dalla famosa azienda privata L’Oreal con un premio di quindicimila euro che ha permesso alla brava Ilaria di continuare negli studi senza problemi e continuare a specializzarsi per il bene suo e del mondo intero (vista l’importanza della ricerca).

Ma in cosa consiste questo studio che le ha permesso ad di ottenere le luci della ribalta e vincere un premio così importante?

Niente di meno che uno studio che punta a “curare” in modo efficace, rapido ed intelligente una delle peggiori malattie del mondo, spesso sottovalutata ma che rende la vita veramente un inferno: il morbo di Parkinson.

Il Parkinson è una malattia degenerativa del sistema nervoso centrale, caratterizzato dalla morte delle cellule adibite alla sintesi e il rilascio della dopamina che sono in gran parte presenti nel mesencefalo.
Ancora poco nota è la causa che porta alla morte di tali cellule.

Molecola di Dopamina

Molecola di Dopamina

Come tutti saprete, i sintomi sono principalmente correlati all’apparato motorio, con tremori e difficoltà a camminare.
Nei casi più avanzati si hanno anche problemi cognitivi e comportamentali, anche se non si capisce bene se la cosa è causata dal morbo o correlata al fatto che i malati di Parkinson sono per la maggior parte in età avanzata.

Analisi PET in pazienti sani ed affetti dal morbo

Analisi PET in pazienti sani ed affetti dal morbo

La soluzione studiata da Ilaria nel Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche di Roma Tor Vergata (sotto la guida della Prof.ssa Alessandra Bianco, che considero un’ottima ricercatrice anche se ho avuto dei “problemini” con lei) è molto semplice, almeno dal punto di vista teorico: si tratta, infatti, di micro-sfere bio-riassorbibili riempite con milioni di neuroni modificati in modo da produrre un’enorme quantità di dopamina, il neurotrasmettitore che viene a mancare con l’insorgere della malattia.
In pratica le capsuline produrrebbero dopamina per un certo periodo, fino a riassorbirsi nell’organismo senza lasciare traccia alcuna.
Ovviamente un’idea semplicissima, ma di un’importanza e un innovazione senza precedenti.

Si riuscisse a replicare il sistema in modo esaustivo, realizzarlo su grande scala e valutarne gli effetti a lungo termine tramite trial clinico non mi sorprenderei se in un futuro neanche tanto lontano Ilaria potesse ambire ad uno dei premi Nobel.

In questi casi, pur essendo un modo alternativo a quello che si cerca di realizzare negli studi in cui sono coinvolto, non posso che sperare nella riuscita del suo studio pur essendo mia “concorrente”… in questi casi l’importante è arrivare ad una cura, per il bene dell’umanità.

Non mi resta che farle un “in bocca al lupo” sincero, nella speranza che lei sia di esempio per me in primis, ma anche per tutti i giovani ragazzi, aspiranti scienziati o i già ricercatori alle prime armi (come me), nell’insegnarci che anche con piccoli fondi ma supportati da volontà, costanza e grandi idee si può diventare Qualcuno anche in questo Paese che tanto sembra ostacolarci.

Saluti,

MMarans.

Il GeneChip: un sistema innovativo, semplice e rapido di analisi genetica.

E rieccomi qui a scrivere… scusate il ritardo ma ero troppo preso dalla situazione politico/economica italiana per dedicarmi alla scrittura. In un modo o nell’altro il governo si è fatto… e io ricomincio a scrivere!

Oggi voglio parlare di un argomento toccato durante un corso che ho fatto nella specialistica, e che mi ha colpito per la potenzialità, ma soprattutto per la semplicità di implementazione… il GeneChip.

Il mondo è vario... grazie alle infinite combinazioni di geni.

Il mondo è vario… grazie alle infinite combinazioni di geni.

Il GeneChip, o BioChip, o MicroArray a DNA, o come lo volete chiamare, è un dispositivo che sfrutta la fotoluminescenza (solitamente) per tracciare specifiche sequenze di DNA (in realtà RNA, ma è lo stesso) per effettuare una vera e propria analisi genetica, in modo da rintracciare malattie genetiche, disfunzioni o semplici caratteristiche cromosomiche in modo rapido ed efficace.

Solo per farvi capire la complessità del patrimonio cromosomico, basta pensare che solo il 1,5% del totale genoma umano codifica i geni, che sono tra i 20.000 e i 30.000, e che creano, attraverso l’espressione delle 23 coppie di cromosomi le milioni di differenze che ci sono tra due persone.

Le 23 coppie di cromosomi

Le 23 coppie di cromosomi

L’analisi del DNA, effettuata attraverso il DNA messaggero, chiamato RNA e che si può estrarre facilmente, è alla base della classificazione di molte malattie difficilmente valutabili.
Basti solo pensare che mentre per capire se una cellula è cancerogena o no servono una moltitudine di esami non definitivi molte volte, tramite l’analisi genetica si può capire in modo semplice ed intuitivo, come si può capire dalla figura sottostante.

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Attraverso il GeneChip quindi si possono diagnosticare disturbi genetici in poco tempo e con una procedura relativamente semplice. Come avviene una analisi genetica?
Il processo è molto intuitivo: si pone il materiale genetico sopra il chip, si aspetta che il chip si leghi al materiale genetico (spiegherò in seguito il processo preciso) e, utilizzando uno scanner e un software di analisi, si possono vedere le sezioni di DNA presenti nel campione.

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Le potenzialità sono enormi. Solo per farvi rendere conto, nella dimensione di un chip (1,28×1,28 cm) si possono effettuare più di cinque milioni di analisi contemporaneamente, ripetendo ogni analisi non una, ma milioni di volte!

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In particolare l’analisi avviene in un modo molto semplice, sfruttando RNA, che sarebbe il corrispondente del DNA, ma con singola elica.
Solo per rinfrescarvi la memoria, sono presenti 4 basi di RNA, che sono la guanina (G) che si lega con la citosina (C) e la adenina (A) che si lega con l’uracile (U).
Quest’ultimo è sostituito nel DNA originario dalla timina (T).
Quindi gli accoppiamenti sono G-C e A-U.
Vediamo ora passo passo come avviene l’analisi.

  1. Si estrae RNA dal campione che si vuole analizzare (umano o non)
  2. Si lega una molecola fluorescente al RNA da analizzare.
  3. Si pone sopra il GeneChip il materiale.
  4. A questo punto (in figura si capisce bene) si legheranno al GeneChip solo le parti di RNA corrispondenti secondo le leggi della biologia, mentre le altre non si legheranno e un successivo lavaggio le eliminerà dal chip, lasciando solo le sezioni legate.
  5. Rendendo fluorescente la zona, si osserveranno diverse “luci” in corrispondenza delle sezioni di RNA presenti.
  6. Avendo la mappa del chip si conosce ora con precisione che frammenti di RNA, e quindi di DNA, sono presenti nel campione.

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Come avete intuito quindi il GeneChip si presta a moltissimi usi, come il testing di cibi, di animali d’allevamento, test biologici per ambienti, per agricolutira, test di paternità, valutazione della pericolosità di medicine, ricerca di base ma soprattutto diagnosi di malattie umane.

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Per esempio è stato testato per la diagnosi della leucemia.
La cosa interessante, è che oltre a diagnosticare la presenza o meno della malattia, mostra direttamente anche il tipo di leucemia, come mostrato in un famoso articolo edito su Nature.
Infatti  le cellule staminali, durante le varie fasi di maturazione, danno origine a cellule di tipo mieloide e cellule di tipo linfoide: da queste si differenzieranno successivamente i globuli rossi o eritrociti, le piastrine e i globuli bianchi (leucociti e linfociti). Pertanto ci sono quattro tipi comuni di leucemia: la leucemia linfoblastica acuta (ALL), la leucemia linfocitica cronica (molto rara), la leucemia mieloide acuta (AML) e la leucemia mieloide cronica (MLL).

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Anche altre malattie sono state trattate e diagnosticate tramite GeneChip, come per esempio la fibrosi cistica o il più semplice daltonismo.

Solitamente i BioChip sono prodotti attraverso tecniche fotolitografiche industriali, ma un tipo particolare di chip al DNA merita di essere menzionato. Infatti usando la tecnica di Ink-Jet Printing (praticamente la stessa che usa la stampante che avete a casa), è possibile “stampare” un biochip.
Questo significa, in termini economici e tecnologici, la possibilità di avere un chip personalizzato a basso costo, cosa che non è possibile avere con la tecniche litografiche (che sono costose ma producono tanti campioni uguali).
Quindi molti laboratori si sono attrezzati per la realizzazione di questi chip “stampati”, secondo il processo mostrato in figura.

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Riassumendo, abbiamo visto di come sia costituito (a grandi linee) un GeneChip, e quali potenzialità hanno questi innovativi dispositivi, soprattutto dal punto di vista dell’efficacia e della personalizzazione.

Spero l’articolo vi sia piaciuto. Per domande o richieste non esitate a inviarmi una email a semplicementescienza@yahoo.it o scrivetemi su FB o Twitter.
Vorrei ringraziare il Prof. Thomas Brown dell’Università di Roma “Tor Vergata” e ricercatore del CHOOSE per avermi spiegato questo particolare argomento.
Nei prossimi articoli esaudirò una richiesta di un amico, che mi ha chiesto un articolo sulle celle solari “alternative” (in particolare quelle integrate nella case e basate su alghe) e video e foto della costruzione della mia prima macchina della verità… (di cui vi mostro la foto qui sotto). Ne vedremo delle belle!

Kit della macchina della verità appena comprata.

Kit della macchina della verità appena comprata.

Saluti,

MMarans.

I polimeri bioriassorbibili a memoria di forma possono rappresentare il futuro della medicina?

Negli ultimi anni è emersa una nuova classe di materiali in grado di modificare la propria forma se sottoposti ad un particolare stimolo esterno, che potrebbe essere un’alternativa più efficiente ed economica alle ben note leghe metalliche a memoria di forma (SMAs), soprattutto in campo biomedico.
Sono i polimeri a memoria di forma (SMPs).
Tali materiali polimerici ‘intelligenti’ sono molto interessanti per svariate applicazioni industriali; presentano inoltre molte applicazioni potenziali nel campo biomedicale, nella robotica, nell’ingegneria civile e come tessuti.
Rispetto alle SMAs  richiedono processi di produzione più economici, hanno una più bassa densità e presentano un maggior capacità di deformazione elastica (nella maggior parte dei casi di gran lunga superiore al 200%). Un confronto tra le proprietà delle leghe metalliche e quelle dei polimeri a memoria di forma è riportato nella figura sottostante.

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L’effetto di memoria di forma può essere osservato in polimeri che differiscono tra loro per struttura e composizione chimica, in quanto, differentemente dalle leghe metalliche, nei materiali polimerici tale comportamento non dipende da una caratteristica intrinseca del materiale. E’ quindi possibile sintetizzare diversi SMPs scegliendo  la composizione chimica che permette di ottenere i polimeri con le proprietà intrinseche, come le proprietà meccaniche, la temperatura di transizione, la biocompatibilità e la stabilità più idonea all’applicazione a cui devono essere destinati.
Si stanno studiando anche SMPs bioriassorbibili che permettono l’accumulo di immobilizzare e successivamente rilasciare in loco diversi tipi di farmaci che consentono, ad esempio di trattare le infezioni e ridurre la risposta infiammatoria.

Prima di entrare nel particolare delle applicazioni in cui questi strabilianti materiali possono essere usati, cerchiamo di capire brevemente come avviene questo bizzarro effetto.
L’effetto di memoria di forma nei materiali polimerici, infatti, dipende dalla struttura molecolare del polimero e dal particolare processo cui viene sottoposto tale materiale. Inizialmente il polimero viene sintetizzato e formato in una forma permanente attraverso le comuni procedure industriali utilizzate per la produzione delle plastiche. In un secondo momento si sottopone il materiale ad un processo costituito da due fasi distinte.
La prima, definita programming, consiste nella deformazione del polimero dalla forma permanente ad una forma temporanea  mediante l’applicazione di una forza; la forma temporanea deve essere mantenuta anche quando il polimero non è più sottoposto ad uno sforzo esterno.
Nella seconda fase, chiamata recovery, si sottopone il materiale ad uno stimolo particolare, a seguito del quale il SMP riassume la forma permanente. La velocità con cui si verifica deformazione dalla forma permanente alla forma temporanea nei polimeri è più elevata che nelle leghe metalliche.

Ciclo di Programming e Recovery

Ciclo di Programming e Recovery

Il processo di programming e recovery solitamente è indotto termicamente: in tale processo la forma temporanea viene fissata raffreddando il materiale al di sotto  di una certa temperatura di transizione.
I polimeri che presentano proprietà di memoria di forma indotte termicamente sono elastomeri costituiti da due fasi ben distinte.
Una fase, reversibile, è formata da catene chiamate switching segments che possono essere amorfe o cristalline. Quando il polimero viene raffreddato al di sotto della temperatura di transizione, i movimenti tra le catene vengono impediti poiché si verifica la transizione vetrosa o il processo di cristallizzazione: di conseguenza la forma temporanea si mantiene anche se il polimero non è più sottoposto ad una forza esterna.
L’altra fase, definita fase fissa, presenta invece una temperatura di fusione superiore a quelle massime raggiunte nel ciclo di programming e recovery ed è responsabile della formazione della forma permanente  nella fase di recovery dettate da interazioni di tipo fisico o di tipo chimico che fissano la forma permanente del polimero; tali interazioni vengono definite netpoint.

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Un altro possibile processo di programming e recovery sfrutta come stimolo la radiazione elettromagnetica. La forma temporanea è fissata inducendo la formazione di legami chimici mediante irraggiamento con radiazione UV caratterizzata da una specifica lunghezza d’onda. Irraggiando il polimero con una radiazione più energetica si rompono i legami formati nello step di programming ed il polimero riassume la forma definitiva.

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Inoltre sono stati proposti SMPs in cui si utilizzano altri stimoli come ad esempio un segnale elettrico, un segnale magnetico, della radiazione infrarossa o della radiazione X ed infine  l’immersione in acqua (come si può vedere in un esperimento del MIT di cui ho messo il video qui sotto), ma sono molto più rari e (spesso) scomodi da usare.

Dopo aver capito (più o meno) come avviene questo processo da un punto di vista chimico-fisico, passiamo alla parte più divertente: vedere le applicazioni che si sono ipotizzate con questi materiali, concentrandoci in particolare su quelle in cui sono usati come materiali bioriassorbibili per applicazioni mediche.
Infatti, i dispositivi a base di SMPs bioriassorbibili non richiedono una procedura chirurgica di rimozione; inoltre richiedono procedure di impianto meno invasive poiché i dispositivi possono essere introdotti nel corpo del paziente in forma compressa e successivamente recuperare la forma permanente in loco, al fine di assolvere la loro funzione, soprattutto se si prendono in considerazione quelli attivati termicamente che possiedono una temperatura di transizione nel range tra la temperatura ambiente e quella corporea (circa 37°C).
I materiali polimerici bioriassorbibili che presentano proprietà di memoria di forma fino ad ora proposti sono costituiti dai polimeri bioriassorbibili più usati in campo clinico, tra cui, ad esempio il PGA (acido poliglicolico), il PLA (acido polilattico), il PCL (poli ε-caprolattone), il PDS (poli diossanone). Sono stati sintetizzati polimeri costituiti da netpoint sia di tipo fisico sia di tipo chimico.

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Nella tabella sottostante riportiamo uno schema generale dei SMP biodegradabili proposti in letteratura in cui vengono descritte le proprietà di memoria di forma dei polimeri, le caratteristiche di degradazione in ambiente biologico, ed eventuali test di biocompatibilità effettuati in vitro o in vivo.Immagine

Tralasciamo per un attimo il campo medico, per introdurre le applicazioni che si possono realizzare con i polimeri a memoria di forma negli altri campi.
Una delle prime applicazioni industriali è stata proposta nel campo della robotica: sono state sviluppate delle pinze morbide da fornire in dotazione ai robot.
Un’altra curiosa applicazione studiata in India consiste nella produzione di tessuti ritraibili per fornire indumenti le cui maniche, se soggette all’alta temperatura (quindi con il sole o con il caldo), si arrotolano da sole.

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Senza parlare dell’applicazione per vistiti “auto indossanti”, come si può vedere dal video qui sotto, in cui si usa una famosissima “modella”.

Nel campo automobilistico si stanno studiando componenti che si “autoriparano” grazie ad un trattamento termico che permette di riportare il pezzo al suo stato originale.

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Come applicazione avanzata la D.A.R.P.A., l’agenzia per i progetti di ricerca avanzata per la difesa degli Stati Uniti, sta studiando un aircraft le cui ali, costruite con polimeri a memoria di forma, possono richiudersi su loro stesse.

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Come abbiamo già detto però il campo in cui si stanno studiando con maggior successo le applicazioni dei SMPs è quello biomedico.

In Cina sono in produzione delle ingessature con l’anima in SMPs che garantiscono una ottima adesione sulla pelle ed allo stesso tempo permettono di immobilizzare la zona. Per ovviare all’eventuale restringimento della struttura causato dall’innalzamento della temperatura in questo caso l’attivatore dell’effetto di memoria di forma non è il calore ma una sorgente a raggi X.

Dei ricercatori tedeschi e inglesi invece stanno studiando possibili applicazioni dei SMPs nell’ortodonzia: sono stati prodotti degli archi per ortodonzia polimerici, il cui effetto di memoria di forma è indotto dalla radiazione ultravioletta, e che possono essere una valida alternativa a quelli ad ora in commercio, costituiti da leghe metalliche a memoria di forma.

E’ stato proposto inoltre di utilizzare i SMPs per produrre stent pediatrici che permettano di superare le forti limitazioni delle leghe a memoria di forma in questo tipo di applicazioni: gli stent di SMAs una volta impiantati non sono infatti in grado di espandersi sufficientemente durante la crescita del paziente.

Sono stati sviluppati microattuattori per la rimozione di coaguli sanguigni prodotti in poliuretano con proprietà di memoria di forma. Tali dispositivi vengono inseriti in forma di filo (forma temporanea ottenuta per elongazione del polimero) mediante catetere fino al raggiungimento dell’occlusione del vaso; in loco riacquistano la forma originaria grazie al calore (generato attraverso irraggiamento con radiazione laser) permettendo di rimuovere il trombo e di ripristinare il flusso sanguigno.

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Molto recentemente sono state studiate potenziali applicazioni dei SMPs nella cura  di aneurismi.

Usando polimeri a memoria di forma, si è visto che è possibile occludere un aneurisma con tecniche non invasive, inserendo una schiuma di SMPs grazie ad un catetere a fibra ottica fino alla zona di rilascio, ed aspettando l’espansione della schiuma fino alla avvenuta occlusione.

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Per la cura di aneurismi sono stati usati anche SMPs a base di poliuretani, combinati con proprietà CHEM (Cold Hibernate Elastic Memory, ovvero schiume a memoria di forma sviluppate dalla Mitsubishi): queste schiume raffreddate vengono inserite in forma compressa all’interno dell’aneurisma stesso, poi grazie alla temperatura corporea, la schiuma si espande e occlude. Nella figura in basso sono riportati gli ottimi risultati prodotti dai test in vivo: si può osservare la chiusura dell’aneurisma sia da una vista superiore (A) che dalla sezione assiale (B).

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I dispositivi prodotti con i polimeri a memoria di forma permettono di sviluppare procedure di impianto poco invasive, non necessitano di una successiva procedura di rimozione ed eventualmente premettono l’incorporazione di farmaci che possono essere rilasciati in loco per trattare le infezioni e ridurre la risposta infiammatoria.

Nell’ambito delle suture bioriassorbibili intelligenti si sono ottenuti degli ottimi risultati grazie all’utilizzo di un copolimero formato da OCL (oligo-ε-caprolattondiolo) e da ODX (oligo-p-diossanon-diolo) che possiede delle straordinarie qualità, tra cui la bioriassorbibilità, una elongazione fino al 1000% prima della rottura ed una temperatura di transizione di circa 40°C.

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Gli autori di questo studio, in particolare, propongono una possibile soluzione al problema più gravoso della chirurgia endoscopica. In questo tipo di procedura infatti è molto difficile manipolare manualmente la sutura per fornire la corretta tensione al filo: se si comprime troppo il tessuto c’è rischio di necrosi dello stesso, mentre se la sutura è troppo lenta  si genera un tessuto che non presenta le adeguate proprietà meccaniche. Mediante test in vivo su animali è stata dimostrata l’efficacia di fili di sutura prodotti con l’SMP biodegradabile citato: utilizzando tale materiale è possibile progettare un filo di sutura intelligente la cui forma temporanea deformata mediante elongazione consenta una facile applicazione; quando il filo si trova in contatto con l’ambiente corporeo alla temperatura di 37°C, quindi al di sopra della temperatura di transizione, grazie all’effetto di memoria di forma ritorna alla sua forma permanente.

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Dal 2003 sono in commercio stent metallici a memoria di forma ricoperti esternamente da uno strato polimerico che permettono di rilasciare farmaci grazie ai quali è possibile combattere le infezioni e ridurre la probabilità di restenosi. Molto recentemente è stato dimostrato che è possibile utilizzare anche stent costituiti da SMPs bioriassorbibili che assolvono le medesime funzioni di drug delivery: infatti è possibile caricare tali polimeri con dei farmaci senza che quest’ultimi influenzino l’effetto di memoria di forma. E’ stato inoltre verificato che la biodegradabilità ed il rilascio graduale dei farmaci non si influenzano tra loro; inoltre la cinetica con cui il farmaco viene rilasciato nell’organismo non viene modificata dal processo di programming e ricovery.

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Ricapitolando, i polimeri a memoria di forma sono materiali intelligenti che, in determinate condizioni, sono in grado di mantenere una forma deformata in assenza di uno sforzo esterno, e poi di riacquistare la loro forma permanente qualora siano sottoposti ad un particolare stimolo. Questo comportamento è stato osservato in materiali polimerici dalla struttura chimica molto differente, che reagiscono a stimoli di natura molto diversa tra loro. Parte della ricerca si sta tuttora focalizzando sulla ricerca di stimoli differenti dal calore (quali ad esempio la presenza di un campo magnetico, l’irraggiamento con radiazione UV o l’immersione in acqua) che permettano di generare l’effetto di memoria di forma.
Per applicazioni biomedicali si stanno sviluppando polimeri biocompatibili che presentano una temperatura di transizione nell’intorno di quella corporea.
I risultati, spesso molto positivi, ottenuti da studi in vitro e in vivo su SMPs biocompatibili, ed eventualmente biodegradabili, e le loro uniche proprietà li rendono idonei per molti tipi di impianti, ed è quindi molto probabile che nei prossimi anni sia avviata e portata a termine con successo la fase di sperimentazione preclinica di questi impianti, a cui dovrebbe seguire l’introduzione dei dispositivi a base si SMPs nelle procedure cliniche.

Spero che l’articolo vi sia piaciuto.
Vorrei ringraziare pubblicamente la mia compagna di studi dell’Università, con la quale ho realizzato questa tesina un paio d’anni fa oltre a tanti altri progetti che magari in futuri vi presenterò, ovviamente in forma “alleggerita”.
Purtroppo l’esame in questione poi non l’ho concluso per problemi con la Professoressa che teneva il corso, ma l’argomento mi è sempre rimasto nel cuore, e spero interessi anche a voi, coraggiosi lettori.

Saluti,

MMarans.

Cosa studia la “Scienza dei Materiali”?

Spesso, nella mia vita, mi sono imbattuto in momenti di imbarazzo o difficoltà nel momento in cui, una persona appena conosciuta o che non vedevo da molto tempo, mi poneva questa fatidica domanda: “Cosa studi?”.
Per me la risposta era semplice e ovvia… “studio Scienza dei Materiali”. Mediamente le persone avevano tre reazioni:

  • Facevano finta di aver capito e cambiavano discorso.
  • Scappavano il più lontano possibile staccando il telefono e non facendosi più sentire.
  • Cambiavano espressione facendo una faccia a metà strada tra il sorpreso e lo sconvolto.

Raramente mi sono state chieste spiegazioni su cosa fosse e soprattutto a cosa servisse la Scienza dei Materiali.
Ed ecco il motivo di questo “articolo”, se così si può chiamare.

La mia vita cambiò dopo aver letto un fumetto...

La mia vita cambiò dopo aver letto un fumetto…

Ma partiamo con ordine… innanzitutto devo spiegare perchè scelsi questo “strano” corso di laurea. Il racconto ha dell’incredibile, ma vi assicuro che è proprio quello che accadde. Ero sempre stato un ragazzo appassionato di scienza, fin da bambino.
Non sono mai stato un assiduo lettore di fumetti, ma ce ne fu uno che colpì la mia attenzione fin dall’inizio, e che rimase l’unico che ho letto in modo completo e che in qualche modo, ha cambiato la mia vita: PKNA (PaperiniK New Adventure)… forse… ma che dico… sicuramente, il miglior fumetto mai creato in Italia.
In uno degli albi più belli, in cui il protagonista (PK, cioè l’alter-ego di Paperino) veniva spedito in Siberia in una specie di Tunguska a difendere un meteorite alieno, una frase colpì la mia giovane mente: “Sei laureato in Scienza dei Materiali?”… fu una folgorazione.
Scelsi la materia per la tesina del liceo proprio dopo uno studio su cosa fosse questa materia (alla fine come argomento portai la Fusione Fredda, intrisa però di Scienza dei Materiali in ogni dove!).

Chiedendo alla mia Professoressa di Scienze dove avessi potuto prendere altre informazioni, questa mi suggerì naturalmente qualche sito, ma soprattutto mi disse che se volevo approfondire questi argomenti, viste le mie potenzialità e passioni, dovevo pensare seriamente se valeva la pena iscrivermi in una delle facoltà più difficili e meno conosciute d’Italia: la Scienza dei Materiali.
La cosa incredibile è che a distanza di un annetto questa Professoressa non ricordava il nostro discorso, e questo ci poteva stare, ma soprattutto asseriva di non aver mai sentito parlare della Scienza dei Materiali!!!

Oramai però mi ero iscritto, io come altri 62 coraggiosi ragazzi (almeno a Roma),,, anche grazie a Piero Angela. Eh si, perchè parlando con i miei compagni di studio, alla fine tutti ci eravamo decisi dopo aver visto una puntata di SuperQuark in cui era presente un servizio sulla Scienza dei Materiali, che, se ne avete voglia, potete visualizzare o scaricare dal sito dell’Università di Torino.

Ma cosa è la Scienza dei Materiali? Cosa studia?
E in fondo, perchè uno dovrebbe studiare una materia così strana?

Per far capire in modo semplice cosa rappresenta e su cosa si basa questa materia, uso le parole proprio di Piero Angela, prendendole da un libro scritto da un mio Professore (in realtà quasi un “mentore” più che un professore), il cui tema centrale era la vita e le scelte di quaranta Scienziati dei Materiali (magari un giorno… nel seguito potrei esserci anche io!!)

“Aprite un computer, un iPad, un’automobile o qualsiasi altra tecnologia e vi troverete dentro un materiale avanzato. E se non lo troverete lì, lo troverete nel loro processo di produzione. Questa scienza a cavallo fra la fisica, la chimica e l’ingegneria produce infatti nuovi materiali dalle proprietà straordinarie. E’ così che sono nati il goretex, il teflon, i cristalli liquidi, le fibre ottiche, i superconduttori per treni a levitazione magnetica, il kevlar, le fibre di carbonio per attrezzi sportivi e aeroplani, e mille altre cose. La scienza dei materiali, insomma, realizza un po’ il sogno degli antichi alchimisti…”

Naturalmente, chi meglio di Piero Angela poteva descrivere questa straordinaria e rivoluzionaria materia?
Oggigiorno, la Scienza dei Materiali ha ampliato ancora più i suoi campi applicativi, non concentrandosi solo sull’elettronica e la meccanica, che comunque restano i settori di maggior impiego, ma passando alle plastiche, alle ceramiche, alla medicina, fino ad arrivare ai compositi, ma anche a settori più esotici come la cosmesi o la moda.

Il settore però in cui lo scienziato dei materiali si trova più a suo agio, rispetto ad un ingegnere, un fisico o un chimico è proprio quella parte delle scienze che sono nate con lui, di cui è stato il fondatore e che lega tutte le materie di cui è conoscitore: le Nanotecnologie (o Nanoscienze).
Non a caso, infatti, la prima facoltà di Scienza dei Materiali fu istituita alla Northwestern University dell’Illinois nel 1955, e quattro anni dopo, il fisico Richard Feynman diede il là alle Nanoscienze con la sua famosa lezione “There’s plenty of room at the bottom” (“C’è un sacco di spazio giù in fondo”), in cui introduceva il concetto stesso di Nanotecnologia.

Richard Feynman durante la famosa lezione "There's plenty of room at the bottom"

Richard Feynman durante “There’s plenty of room at the bottom”

Perchè proprio la Nanotecnologia? Bè.. la risposte è semplice e allo stesso tempo complessa.
In modo semplicistico, lo scienziato dei materiali è un buon fisico, un buon chimico, un buon informatico, un buon matematico, un buon biologo… non sarà mai al livello dei fisici nella fisica e così via… ma conosce tutte le materie in modo poco approfondito ma completo.
In fondo, l’unica materia che conosce in modo completo e approfondito è la chimica-fisica, che è alla base delle nanotecnologie.

Non volendo essere troppo tediante e palloso, concludo il mio articolo sulla Scienza dei Materiali dicendovi che ogni materiale, o tecnologia di cui ho parlato sarà approfondita nel mio blog in futuro.
Vi lascio non con parole mie, ma con quelle proprio del Professore che mi ha introdotto alla Scienza dei Materiali… in modo da darvi un’idea visiva di quello che questa bellissima Scienza, la “mia” scienza, rappresenta.

Saluti,
MMarans

PS: Come al solito per ogni curiosità sarò bel lieto di rispondere.

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