Popeye ha reso gli spinaci famosi come un ortaggio per la costruzione muscolare. Ma un giorno le verdure potrebbero renderti più forte senza essere mangiato, quando gli scienziati le usano per costruire una nuova classe di muscoli artificiali. Questa settimana un team di Taiwan ha svelato le cellule di cipolla placcate in oro che mostrano la promessa di espandersi, contrarsi e flettersi in diverse direzioni proprio come il vero tessuto muscolare.
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I muscoli artificiali hanno una vasta gamma di possibili applicazioni, dall'aiutare gli uomini feriti a alimentare i robot, e ci sono molti modi per provare a costruirli. L'anno scorso, ad esempio, gli scienziati hanno sviluppato una serie di muscoli artificiali da una semplice lenza che potrebbe sollevare 100 volte di più rispetto ai muscoli umani della stessa dimensione e peso. Ma non è ancora emerso un modo chiaramente superiore per creare un muscolo falso.
"Esistono muscoli artificiali sviluppati utilizzando elastomeri, leghe a memoria di forma, composti piezoelettrici, polimeri ionoconduttivi e nanotubi di carbonio", afferma Wen-Pin Shih della National Taiwan University di Taipei. "I meccanismi e le funzioni di guida sono molto diversi." Alcuni tipi di muscoli artificiali sono guidati dalla pressione, come nei sistemi pneumatici, mentre altri creano movimento attraverso i cambiamenti di temperatura o la corrente elettrica.
Una grande sfida per i produttori di muscoli artificiali è stata quella di progettare i loro materiali per piegarli e contrarli allo stesso modo, come fanno i muscoli reali. Quando qualcuno flette la classica posa del "fare un muscolo", ad esempio, i loro bicipiti si contraggono ma si piegano anche verso l'alto per sollevare l'avambraccio. Shih e colleghi stavano tentando di progettare un muscolo artificiale in grado di piegarsi e contrarsi simultaneamente in questo modo, e hanno scoperto che la struttura e le dimensioni della buccia di cipolla erano molto simili alla microstruttura che avevano in mente.
Per mettere alla prova la verdura pungente, il gruppo di Shih ha prima preso un singolo strato di cellule epidermiche da una cipolla fresca e sbucciata e lo ha lavato con acqua. Quindi il team ha liofilizzato la cipolla per rimuovere l'acqua lasciando intatte le sue pareti cellulari. Questo processo ha reso la microstruttura rigida e fragile, quindi hanno trattato la cipolla con acido per rimuovere una proteina di rinforzo cellulare chiamata emicellulosa e ripristinare l'elasticità.
Gli strati di cipolla furono fatti muovere come muscoli trasformandoli in un attuatore elettrostatico. Ciò significava rivestirli con elettrodi d'oro, che conducono corrente. L'oro è stato applicato in due spessori - 24 nanometri nella parte superiore e 50 nanometri nella parte inferiore - per creare diverse rigidità di flessione e rendere le cellule flesse e allungate in modo realistico. Ciò si abbina perfettamente alla naturale tendenza della buccia di cipolla a piegarsi in direzioni diverse se sottoposta a tensioni diverse a causa dell'attrazione elettrostatica.
Il team ha creato "pinzette" muscolari da cellule della pelle della cipolla. (Shih Lab, Università nazionale di Taiwan) Tensioni più basse da 0 a 50 volt hanno provocato l'allungamento e l'appiattimento delle cellule dalla loro struttura curva originale, mentre tensioni più elevate da 50 a 1000 volt hanno causato la contrazione e la flessione del muscolo della verdura verso l'alto. Controllando queste tensioni per variare i movimenti muscolari, due delle disposizioni di cipolla sono state usate come pinzette per afferrare un batuffolo di cotone, Shih e colleghi riportano questa settimana in Applied Physics Letters .
Ma quel successo ha richiesto una tensione relativamente alta, che Shih chiama finora il principale svantaggio del concetto. Tensioni più basse sono necessarie per controllare il muscolo con batterie minuscole o componenti a microprocessore, che sarebbero più adatti per alimentare impianti o parti di robot. "Dovremo comprendere meglio la configurazione e le proprietà meccaniche delle pareti cellulari per superare questa sfida", osserva.
Le cellule della cipolla offrono alcuni vantaggi rispetto ai precedenti tentativi di utilizzare cellule muscolari viventi per creare tessuti artificiali, afferma Shih. "Coltivare cellule per formare un pezzo di tessuto muscolare per generare forza di trazione è ancora molto impegnativo", afferma Shih. "Le persone hanno già provato a usare i muscoli vivi. Ma poi come mantenere in vita le cellule muscolari diventa un problema. Usiamo le cellule vegetali perché le pareti cellulari forniscono forza muscolare indipendentemente dal fatto che le cellule siano vive o no. "
La durabilità è un problema, tuttavia: la placcatura in oro ha aiutato a proteggere i muscoli della cipolla, ma l'umidità può ancora penetrare nelle loro pareti cellulari e modificare le proprietà del materiale. Shih ha un'idea per affrontare questo problema, che potrebbe presto essere messo alla prova. "Potremmo rivestire il muscolo artificiale della cipolla con uno strato di fluoruro molto sottile", afferma. "Ciò renderà il muscolo artificiale impermeabile all'umidità ma non cambierà la morbidezza del dispositivo."
