Dallo studio della dinamica delle gocce microdispositivi più efficaci: la ricerca, pubblicata su Nature Communications, apre orizzonti applicativi in ambito biologico, bio-ingegneristico e farmacologico, ad esempio per la possibile realizzazione di dispositivi robotici utilizzabili nella somministrazione controllata di medicinali
Uno studio condotto congiuntamente dall’Istituto per le applicazioni del calcolo M. Picone del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma (Cnr-Iac), dall’Istituto Italiano di Tecnologia, dal Dipartimento di ingegneria civile, informatica e delle tecnologie aeronautiche (DICITA) dell’Università degli studi Roma Tre e dall’Università di Edimburgo ha analizzato un importante meccanismo spesso coinvolto nella dinamica cellulare: come, cioè, gocce di un fluido biologicamente attivo si muovono e “passano” attraverso i micropori che caratterizzano un ambiente fisiologico. Il meccanismo è presente in una varietà di contesti di rilevanza biologica, come la metastatizzazione di cellule cancerogene o la rimarginazione di ferite.
La dinamica delle gocce su Nature Communications
La ricerca, pubblicata su Nature Communications e selezionata tra gli highlight nella sezione Applied Physics and Mathematics della rivista, si inquadra nell’ambito dello studio sui sistemi attivi che si ritrovano, a vari livelli, in molte occasioni della vita quotidiana: sistemi, cioè, composti da un gran numero di agenti attivi in grado di estrarre energia dall’ambiente circostante e che appaiono muoversi in modo organizzato e coordinato, quali stormi di uccelli, banchi di pesci, sciami di api, eccetera. Un comportamento analogo si osserva anche su scala molto più piccola, dove si possono trovare colonie di batteri, sospensioni di alghe unicellulari, proteine.
“Nel nostro studio siamo scesi al livello dei microfluidi, prendendo in esame gocce micrometriche il cui moto è generato da materiale cellulare attivo incapsulato all’interno (estratti cellulari quali actina e miosina) per indagare come queste passano attraverso micropori che possono caratterizzare un ambiente fisiologico”, spiega Adriano Tiribocchi del Cnr-Iac). “In queste circostanze, le gocce devono generalmente muoversi in strutture estremamente confinate, spesso di dimensioni molto più piccole di quelle della goccia stessa. Anche la natura dell’ambiente circostante – ad esempio il fluido in cui questi oggetti navigano – può influenzare in modo considerevole il loro moto”.
Il ruolo delle simulazioni al computer
Al fine di comprendere in modo approfondito la dinamica di movimento, il team di ricerca ha ricostruito, mediante simulazioni al computer, il passaggio delle gocce attraverso costrizioni di varie dimensioni, in geometrie riproducibili in esperimenti di microfluidica.
“Le simulazioni hanno mostrato che il passaggio attraverso pori particolarmente piccoli avviene solo in presenza di opportune forze adesive tra la goccia e le pareti del poro, che migliorano la connettività e favoriscono il passaggio con successo della goccia. Tale effetto adesivo può essere realizzato sperimentalmente ricoprendo le superfici con opportune proteine (come fibronectina o collagene), in concentrazione diversa sulle superficie del poro”, aggiunge Sauro Succi (IIT e associato Cnr-Iac). “Durante questo processo, tuttavia, la complessa interazione con l’ambiente circostante determina una grande varietà nelle forme della goccia, la cui stabilità dipende da parametri come la velocita della goccia, l’elasticità del materiale attivo e viscosità del fluido, nonché dalla struttura stessa del sistema in esame”.
Oltre che accrescere la comprensione dei meccanismi di funzionamento dei materiali attivi, i risultati ottenuti aprono importanti orizzonti applicativi in ambito farmaceutico, permettendo di migliorare la progettazione di micro-robot per la somministrazione controllata di medicinali, biologico, per la capacità di riprodurre alcuni aspetti della motilità cellulare e bio-ingegneristico, per la realizzazione tessuti muscolari sintetici.
