Protesi dentale biomimetica

In natura non esistono strutture più resistenti e durevoli dei denti o dei gusci delle cozze. Il segreto di questi materiali è la loro particolare struttura fine: sono costituiti da diversi strati in cui innumerevoli micropiastrine sono unite tra loro con orientamenti identici.

Esistono già metodi con cui i ricercatori di materiali sono riusciti a imitare la madreperla. Tuttavia, era ancora una sfida creare un materiale che imitasse l'intera conchiglia, ottenendo proprietà comparabili e una struttura complessa.

Ora un gruppo di ricercatori guidati da André Studart, professore di materiali complessi, ha sviluppato un nuovo processo che imita quasi perfettamente la formazione preliminare. Gli scienziati sono riusciti a produrre un materiale multistrato e resistente che si basa sul principio costruttivo dei denti o dei gusci delle cozze e non teme confronti. Per la prima volta, i ricercatori dell'ETH sono riusciti a ottenere in un unico pezzo diversi strati con micropiastrine orientate in modo diverso.

I ricercatori dell'ETH hanno chiamato il loro processo "magnetically assisted slip casting" (MASC). "La bellezza del nostro nuovo processo è che si basa su una tecnica centenaria e la combina con la moderna ricerca sui materiali", spiega il dottorando di Studart Tobias Niebel, coautore di uno studio appena pubblicato sulla rivista scientifica "Nature Materials".

Una tecnica vecchia di 100 anni utilizzata in modo nuovo

Ecco come funziona MASC: per prima cosa, i ricercatori creano un calco in gesso di qualsiasi oggetto, che serve da stampo. Quindi versano in questo stampo una sospensione contenente scaglie di ceramica magnetizzata, come scaglie di ossido di alluminio. I pori dello stampo in gesso assorbono lentamente la parte liquida della sospensione. In questo modo il materiale si solidifica dall'esterno verso l'interno e diventa duro.

Gli scienziati hanno ottenuto una struttura a strati applicando un campo magnetico durante il processo di stampaggio, la cui direzione cambia a intervalli regolari. Finché il materiale è liquido, i dischi di ceramica si allineano al campo magnetico. Nel materiale solidificato, i dischi mantengono il loro orientamento.

La composizione della sospensione e l'orientamento delle piastrine possono essere utilizzati per creare diversi strati con diverse proprietà materiali in uno stesso oggetto, utilizzando un processo continuo. In questo modo si creano materiali complessi che imitano quasi perfettamente modelli naturali come la madreperla o lo smalto dei denti. "La nostra tecnica è simile alla stampa 3D, ma dieci volte più veloce e molto più economica", spiega Florian Bouville, postdoc presso Studart e co-autore dello studio.

Dente artificiale dallo stampo in gesso

Per dimostrare il potenziale della tecnologia MASC, il gruppo di ricerca di André Studart ha prodotto un dente artificiale la cui microstruttura imita quella di un dente vero. La superficie di questo dente artificiale è dura e ha una struttura complessa come quella di un dente vero, mentre lo strato sottostante è più morbido, proprio come la dentina della formazione preliminare.

La prima autrice dello studio, la dottoranda Hortense Le Ferrand, e i suoi colleghi hanno innanzitutto realizzato un calco in gesso di un dente del giudizio umano. Hanno riempito questo stampo con una sospensione contenente piastrine di ossido di alluminio e nanoparticelle di vetro come malta. Utilizzando un magnete, hanno allineato le piastrine perpendicolarmente alla superficie dell'oggetto. Una volta asciugato il primo strato, gli scienziati hanno versato una seconda sospensione nello stesso stampo. Tuttavia, questa sospensione non conteneva particelle di vetro. Le piastrine di ossido di alluminio del secondo strato sono state allineate orizzontalmente alla superficie del dente utilizzando il magnete.

Questa struttura a due strati è stata infine "cotta" a 1600 gradi per compattare e indurire il materiale. Gli esperti chiamano questo processo "sinterizzazione". Infine, i ricercatori hanno riempito i pori ancora presenti dopo la sinterizzazione con un monomero plastico usato in odontoiatria, che si è poi polimerizzato.

Il dente artificiale si comporta come un dente vero

I ricercatori del Fare all'ETH sono molto soddisfatti del risultato. "Il profilo di durezza e tenacità determinato per il dente artificiale è esattamente uguale a quello di un dente naturale", afferma felice Studart. Il processo e il materiale risultante sarebbero quindi adatti all'uso in odontoiatria.

Tuttavia, lo studio attuale è solo una prova di concetto che dimostra che la struttura fine naturale di un dente può essere riprodotta in laboratorio, afferma Studart. "Il dente artificiale dimostra chiaramente che il nuovo processo può raggiungere un grado di controllo sulla microstruttura di un materiale composito che in precedenza era riservato agli organismi viventi. Una parte del processo MASC, ossia la magnetizzazione e l'allineamento delle piastrine di ceramica con il magnete, è già stata brevettata.

Tuttavia, il nuovo processo di produzione di questi materiali complessi biomimetici può essere utilizzato anche in altri modi. Ad esempio, si potrebbero usare piastrine di rame al posto di quelle di ossido di alluminio, consentendo così l'impiego di questi materiali nell'elettronica. "I materiali di partenza e l'orientamento delle piastrine possono essere combinati a piacere, il che significa che è possibile realizzare rapidamente e facilmente un'ampia gamma di tipi di materiali con proprietà diverse", spiega Studart.