Na natureza, é comum encontrar estruturas que combinam materiais macios e duros. Essas estruturas são responsáveis ​​por diversas propriedades mecânicas e funções dos sistemas biológicos. Como exemplo típico, a coluna vertebral humana possui pilhas alternadas de ossos duros e discos intervertebrais moles, que é uma arquitetura essencial que sustenta o corpo humano enquanto mantém a flexibilidade do corpo.



Imitar a estrutura mole-dura da natureza pode, em princípio, inspirar o design de materiais e dispositivos artificiais, como atuadores e robôs. No entanto, a realização destas estruturas tem sido extremamente desafiadora, especialmente em microescala, onde a integração e manipulação de materiais se tornam extremamente menos práticas.

Com o objetivo de desenvolver materiais biomiméticos em microescala, a equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Yufeng Wang, do Departamento de Química da Universidade de Hong Kong (HKU), desenvolveu um novo método para criar superestruturas em microescala, chamada MicroSpine, que possuem materiais macios e materiais duros que imitam a estrutura da coluna vertebral e podem atuar como microatuadores com propriedades de transformação de forma. Esta descoberta, publicada em Science Advances , foi alcançado através da montagem coloidal, um processo simples no qual nano e micropartículas se organizam espontaneamente em padrões espaciais ordenados.

Muitos organismos biológicos, desde mamíferos a artrópodes e microrganismos, contêm estruturas de componentes moles e duros integrados sinergicamente. Estas estruturas existem em diferentes comprimentos, de micrômetros a centímetros, e respondem pelas funções mecânicas características dos sistemas biológicos. Também estimularam a criação de materiais e dispositivos artificiais, como atuadores e robôs, que mudam de forma, se movem ou atuam de acordo com sinais externos.

Embora estruturas moles-duras sejam fáceis de fabricar em macroescala (milímetro e acima), elas são muito mais difíceis de realizar em microescala (micrômetro e abaixo). Isso ocorre porque se torna cada vez mais desafiador integrar e manipular componentes mecanicamente distintos em menor escala. Os métodos tradicionais de fabricação, como a litografia, enfrentam diversas limitações ao tentar criar componentes em pequena escala usando estratégias de cima para baixo. Por exemplo, o baixo rendimento pode ocorrer porque os processos de fabricação em pequena escala são mais complexos e exigem maior precisão, o que pode aumentar o risco de defeitos e erros no produto final.

Para enfrentar o desafio, o Dr. Wang e sua equipe adotaram uma abordagem diferente, chamada montagem coloidal. Colóides são pequenas partículas com 1/100 do tamanho de um cabelo humano e podem ser feitas de vários materiais. Quando adequadamente projetadas, as partículas podem interagir umas com as outras, reunindo-se espontaneamente em superestruturas ordenadas.

Por ser um método bottom-up, a montagem coloidal é vantajosa para a confecção de estruturas em microescala, pois permite um controle preciso sobre a criação das estruturas desejadas a partir de vários blocos de construção, possuindo um rendimento mais elevado. No entanto, a dificuldade é como guiar as partículas para se reunirem na estrutura macia-dura desejada.

Ao usar a coluna vertebral como base para o design, a equipe inventou novas partículas derivadas de estruturas metal-orgânicas (MOFs), um material emergente que pode ser montado com alta direcionalidade e especificidade. Sendo também o componente duro, essas partículas MOF podem combinar-se com gotículas líquidas macias para formar cadeias lineares. Os componentes duros e moles assumem posições alternadas na cadeia, imitando a estrutura da coluna vertebral, ou seja, a MicroSpine.

“Também introduzimos um mecanismo pelo qual o componente macio da cadeia pode expandir e encolher quando o MicroSpine é aquecido ou resfriado, para que possa mudar de forma reversivelmente”, explicou Dengping Lyu, o primeiro autor do artigo, bem como o Ph. D. Candidato no Departamento de Química da HKU.

Usando o sistema MicroSpine, a equipe também demonstrou vários modos de atuação precisos quando as partes moles da corrente são modificadas seletivamente. Além disso, as cadeias têm sido utilizadas para encapsulamento e liberação de objetos convidados, controlados exclusivamente pela temperatura.

A realização destas funções é significativa para o desenvolvimento futuro do sistema, pois poderá levar à criação de microrrobôs inteligentes capazes de realizar tarefas sofisticadas em microescala, como entrega de medicamentos, detecção localizada e outras aplicações. Os componentes em microescala altamente uniformes e precisamente estruturados poderiam ser usados ​​para criar sistemas ou sensores de distribuição de medicamentos mais eficazes que possam detectar moléculas específicas com alta sensibilidade e precisão.

A equipe de pesquisa acredita que esta tecnologia representa um passo importante na criação de dispositivos e máquinas complexas em microescala. De acordo com o Dr. Wang, "Se você pensar em máquinas modernas, como carros, elas são montadas por dezenas de milhares de peças diferentes. Nosso objetivo é atingir o mesmo nível de complexidade usando diferentes peças coloidais." Inspirando-se na natureza, a equipe de pesquisa espera projetar mais sistemas biomiméticos que possam realizar tarefas complexas em microescala e além.

Mais informações: Dengping Lyu et al, Superestruturas termorresponsivas biomiméticas por co-montagem coloidal mole e dura, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh2250
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pela Universidade de Hong Kong