Nanotecnologie | Seta di ragno e nanostrutture magnetiche per i materiali del futuro

Nasce dalla collaborazione tra il Dipartimento di Fisica e Scienza della Terra dell’Università di Ferrara e l'Università di Trento lo studio su nuovi materiali che, coniugando la seta con elementi magnetici nanostrutturati, mostrano particolari proprietà chimico-fisiche di grande interesse per applicazioni di elettronica e medicina. I risultati ottenuti sono stati presentati sulle riviste internazionali Advanced Functional Materials e Nanoscale.

“La seta è una fibra a base proteica, più genericamente un biopolimero, prodotta dai bachi da seta e dai ragni. Tutti sanno che la seta di baco è usata per la realizzazione di tessuti di particolare valore e bellezza; la seta di ragno non viene impiegata nell’industria tessile perché questo animale non ne produce in grandi quantità e pertanto nell’immaginario comune è prevalentemente associata alle ragnatele, che non suscitano in noi particolare attrazione In effetti, la seta ha eccezionali proprietà meccaniche, quella di ragno ancora più di quella di baco, e di biocompatibilità. spiega il Dottor Federico Spizzo dell’Università di Ferrara.

“Attualmente la seta è oggetto di attenti studi per sfruttarne le potenzialità in applicazioni tecnologiche e per riprodurne artificialmente le caratteristiche. L’Università di Trento è da tempo attiva in questo promettente campo di ricerca e la sinergia con la consolidata esperienza di Unife nel campo del nanomagnetismo ha portato alla creazione di materiali innovativi che, combinando le ottime prestazioni della seta con la funzionalità magnetica, possono essere utilmente impiegati in campo biomedicale, elettronico e della sensoristica” aggiunge la Professoressa Lucia Del Bianco dell’Università di Ferrara.

Fili di seta di ragno rivestiti con lega magnetica per l’elettronica flessibile

Uno dei materiali, realizzato da Spizzo e Del Bianco insieme al Dott. Gabriele Greco ed al Prof. Nicola Pugno di Unitn, consiste in fili di seta con diametro di circa 10 micrometri, prodotti naturalmente da un particolare tipo di ragno (Cupiennius salei), rivestiti da uno strato di una lega di Ferro e Cobalto (FeCo), metallica e magnetica e avente spessore di 100 nanometri.

(a) Il filo di seta prodotto dal ragno è solitamente costituito da due o più fibre, come si vede nell’immagine al microscopio elettronico. (b) Il filo viene ricoperto con uno strato di FeCo tramite un processo che sfrutta un plasma di ioni Argon (deposizione per sputtering), così da ottenere le fibre rivestite (c).

Si è così ottenuta un filo estremamente flessibile e robusto che, grazie al rivestimento di FeCo, risulta essere elettricamente conduttivo, può essere manipolato mediante un campo magnetico applicato esternamente (attuazione magnetica) e può essere usato come sensore di stress meccanici, in virtù di una particolare proprietà della lega FeCo nota come magnetostrizione. Si tratta di una prova di principio per la creazione di un materiale con enormi potenzialità, ad esempio per l’avveniristico settore della robotica. La ricerca si è anche avvalsa della collaborazione con l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) di Torino (Dott. Marco Coïsson) per la caratterizzazione delle fibre mediante microscopia a forza magnetica. 

Pellicola di seta e nanoparticelle magnetiche per la medicina rigenerativa

Il secondo sistema realizzato consiste in una pellicola sottile (10 micrometri) di seta in cui sono incorporate nanoparticelle magnetiche di ossido di ferro (magnetite) di 10 nanometri. Il materiale è altamente biocompatibile ed è stato creato per applicazioni nel campo della medicina rigenerativa, cioè la scienza che ha come obbiettivo la rigenerazione di cellule, tessuti e organi danneggiati del corpo umano mediante tecniche di biologia molecolare e cellulare e di ingegneria biomedica, molte delle quali basate sull’utilizzo delle cellule staminali. Per questo studio, oltre alla partecipazione dei già citati ricercatori di Unife ed Unitn, che hanno eseguito rispettivamente l’analisi delle proprietà magnetiche e meccaniche, è stata fondamentale quella della Dott.ssa Yuejiao Yang e della Prof.ssa Antonella Motta di Unitn. Esse hanno preparato i campioni estraendo la fibroina di seta (è questo il nome scientifico della proteina) dai bozzoli di bachi Bombyx mori e ‘rimodellandola’ nella forma finale, dopo avere disperso al suo interno le nanoparticelle magnetiche.

La pellicola di fibroina di seta con incorporate le nanoparticelle magnetiche, allo stato secco (a). Le nanoparticelle di ossido di ferro conferiscono la particolare colorazione arancione al materiale (la sola matrice di fibroina di seta risulta bianca e totalmente trasparente). La pellicola si autosostiene e, se maneggiata, poi riprende immediatamente la sua forma iniziale (b). Dopo essere stata immersa in acqua per alcuni minuti, la pellicola aderisce facilmente a materiali di diverso tipo (c-e). Immagine adattata da [2] sotto licenza CC BY 3.0.

Yang e Motta hanno inoltre eseguito test biologici in vitro, dimostrando che il materiale realizzato favorisce l’adesione e la proliferazione di cellule staminali coltivate su di esso e, specialmente sotto l’azione di un campo magnetico applicato, accelera la loro differenziazione in cellule del tessuto osseo.

Si tratta quindi di un materiale assai promettente da usare, ad esempio, come rivestimento di impianti ortopedici, al fine di favorirne l’integrazione nel corpo del paziente. Alla ricerca ha collaborato anche l’Università Politecnica delle Marche (Dott.ssa Maria Laura Gatto e Prof. Gianni Barucca) per l’analisi strutturale dei campioni mediante tecniche di microscopia elettronica. Sulla base delle proprietà fisiche dei campioni e dei risultati di calcoli numerici, attività in cui i ricercatori Spizzo e Del Bianco di Unife sono stati particolarmente impegnati, è stato possibile svelare un effetto di stimolazione magneto-meccanica indotto sulle cellule, che determina il loro sviluppo, originato dalla interazione fra le nanoparticelle magnetiche in presenza del campo applicato.

Tanto la seta quanto i materiali magnetici sono noti sin dall’antichità. La lavorazione della seta in Cina risale almeno al 3000 a.C. ed il potere della magnetite di attrarre il ferro era già noto 2500 anni fa. È stupefacente pensare come a partire da elementi di questo tipo, da sempre utilizzati dall’uomo, sia oggi possibile, grazie a nuovi metodi e avanzate tecniche sperimentali, creare materiali originali e con nuove funzionalità, che spianano la strada verso le tecnologie del futuro.

Per saperne di più

 [1] Federico Spizzo, Gabriele Greco, Lucia Del Bianco, Marco Coïsson, Nicola M. Pugno, Magnetostrictive and electroconductive stress-sensitive functional spider silk.  Advanced Functional Materials 2207382 (2022). https://doi.org/10.1002/adfm.202207382

[2] Lucia Del Bianco, Federico Spizzo, Yuejiao Yang, Gabriele Greco, Maria Laura Gatto, Gianni Barucca, Nicola M. Pugno, Antonella Motta, Silk Fibroin Films with Embedded Magnetic Nanoparticles: Evaluation of the Magneto-Mechanical Stimulation Effect on Osteogenic Differentiation of Stem Cells. Nanoscale 14, 14558–14574 (2022). https://doi.org/10.1039/d2nr03167a

A cura di CHIARA FAZIO