Scienziati russi e svizzeri hanno sviluppato un nanorivestimento biodegradabile con proprietà antimicrobiche e antiriflesso studiando le nanostrutture che coprono le cornee degli occhi dei piccoli moscerini della frutta.
Gli scienziati della Far Eastern Federal University (FEFU, Russia) della University of Geneva, della The University of Lausanne, e del Swiss Federal Institute of Technology di Zurigo hanno collaborato per condurre un progetto di ricerca interdisciplinare durante il quale sono stati in grado di riprodurre artificialmente il nanorivestimento delle cornee dei moscerini della frutta (drosophila), naturalmente progettate per proteggere gli occhi degli insetti dalle particelle di polvere e spegnere il riflesso di luce.
Indagando su queste mosche, il team ha appreso come produrre un nanorivestimento biodegradabile con proprietà antimicrobiche, antiriflesso e autopulenti in modo economico ed ecologico.
Com'è stato condotto lo studio
Gli scienziati sono riusciti a
ricostruire il rivestimento corneale dei piccoli moscerini della frutta tramite
metodi di bioingegneria diretti e inversi. In primo luogo, hanno diviso lo strato protettivo nei suoi componenti costitutivi, che si sono rivelati essere retinina (proteine) e cera corneale (lipidi), quindi lo hanno riassemblato a temperatura ambiente, coprendo le superfici di vetro e plastica.
Secondo Vladimir Katanaev - il capo della ricerca e capo del Laboratorio di Farmacologia dei Composti Naturali presso la Scuola di Biomedicina della FEFU - anche qualsiasi altro tipo di materiale può essere nanorivestito. Combinazioni con diversi tipi di cera e manipolazioni genetiche della proteina retinina consentono la progettazione di nanorivestimenti funzionali altamente diversificati e complessi.
Lo scienziato spiega che il meccanismo alla base della formazione delle nanostrutture protettive sulle cornee delle Drosofile è un processo auto-organizzativo, descritto da Alan Turing nel 1952 come un meccanismo di reazione-diffusione. Ciò è coerente con la modellazione matematica eseguita durante la ricerca. Questo meccanismo è anche responsabile delle trame che si formano, ad esempio, sulla pelliccia di una zebra o di un leopardo. Le nanostrutture che proteggono le cornee degli occhi delle Drosofile sono il primo esempio stabilito dei modelli di Turing su scala nanometrica.
Nel corso del progetto di ricerca, gli scienziati hanno effettuato una caratterizzazione dettagliata delle proprietà della retinina, poiché questa proteina è stata finora poco studiata. Si è scoperto che questa proteina inizialmente non strutturata forma una struttura globulare quando interagisce con le cere corneali. Pertanto, gli scienziati hanno esaminato in profondità la natura biofisica dell'auto-organizzazione che rispetta il modello di Turing, evidenziando un importante processo molecolare probabilmente al centro dell'auto-organizzazione: l'inizio della strutturazione delle proteine.
Campi d'applicazione del nuovo nanorivestimento
Questo rivestimento potrebbe
trovare applicazioni in diverse aree dell'economia tra cui medicina, nanoelettronica, industria automobilistica e industria tessile.
Può avvolgere qualsiasi struttura piatta o tridimensionale e, a seconda dell'attività, conferirgli proprietà antiriflesso, antibatteriche e idrofobiche, inclusa l'autopulizia.
La proprietà autopulente, ad esempio, è una caratteristica molto importante per le costose lenti ortho-k notturne riutilizzabili che correggono la vista. Rivestimenti antiriflesso simili - che vengono utilizzati sui pannelli di computer, occhiali, pittura nei musei - sono creati con metodi più complessi e costosi.
"Siamo in grado di produrre il nanorivestimento in qualsiasi quantità richiesta dato che il suo design è più conveniente rispetto ai metodi moderni di produzione di strutture simili. Il lavoro con componenti naturali non richiede attrezzature speciali, consumi energetici significativi e vincoli di incisione chimica, litografia e stampa laser," spiega Vladimir Katanaev. "Questo sviluppo ha ampie applicazioni. Ad esempio, potrebbe essere la tintura strutturale dei tessuti che cambia il colore a seconda dell'angolo di vista. È possibile creare un travestimento a base di metamateriali, uno strato antibatterico per impianti medici e un rivestimento autopulente per lenti a contatto e parabrezza. Riteniamo inoltre che se rafforzassimo il nanorivestimento, esso potrebbe essere utilizzato come base per prototipi di transistor in miniatura flessibili progettati per l'elettronica moderna."
Cosa viene dopo?
Il professor Vladimir Katanaev ha iniziato a studiare la struttura dell'occhio della Drosofila circa 10 anni fa.
Secondo lo scienziato, i primi dati sono stati ottenuti quasi improvvisamente mediante microscopia a forza atomica. Durante la collaborazione con il laboratorio di Igor Serdyuk dell'Istituto di ricerca sulle proteine (Accademia russa delle scienze), è stato scoperto che la superficie delle cornee delle mosche non era liscia ma era ricoperta da bellissimi modelli di escrescenze su nanoscala pseudo-ordinate. Come si è scoperto, nanorivestimenti di questo tipo sono stati descritti alla fine degli anni '60 sulla superficie degli occhi delle falene, insetti più grandi ai quali queste strutture forniscono anche una funzione antiriflesso, riducendo a zero il riflesso della luce incidente e consentendo di ottimizzare la percezione della luce nell'oscurità.
Nelle fasi successive, il team di ricerca mira a sviluppare un modello di nanostrutturazione tridimensionale (con nano-imbuti, nanocolonne, nanoroll all'interno dello strato di rivestimento), anch'esso basato sul meccanismo di Turing. Questo lavoro si collocherebbe alla frontiera stessa della conoscenza scientifica moderna e potrebbe avere promettenti conseguenze tecnologiche e fondamentali.
Lo studio del professor Vladimir Katanaev e del suo team è stato pubblicato sulla rivista Nature.