Na natureza, é comum encontrar estruturas que combinam materiais moles e duros. Essas estruturas são responsáveis por diversas propriedades mecânicas e funções de sistemas biológicos. Como um exemplo típico, a coluna vertebral humana possui pilhas alternadas de ossos duros e discos intervertebrais moles, que é uma arquitetura essencial que suporta o corpo humano, mantendo a flexibilidade do corpo. A imitação da estrutura mole-dura da natureza pode, em princípio, inspirar o design de materiais e dispositivos artificiais, como atuadores e robôs. No entanto, a realização 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, chamado MicroSpine, que possuem estruturas moles e duras. materiais que imitam a estrutura da coluna vertebral e podem atuar como microatuadores com propriedades de transformação de forma. Este avanço, publicado na principal revista científica Avanços da Ciênciafoi obtido por meio de montagem coloidal, um processo simples no qual nano e micropartículas se organizam espontaneamente em padrões espaciais ordenados.
Muitos organismos biológicos, desde mamíferos até artrópodes e microorganismos, contêm estruturas de componentes moles e duros sinergicamente integrados. Essas estruturas existem em diferentes comprimentos, de micrômetros a centímetros, e respondem pelas funções mecânicas características dos sistemas biológicos. Eles também estimularam a criação de materiais e dispositivos artificiais, como atuadores e robôs, que mudam de forma, se movem ou atuam de acordo com sugestões externas.
Embora as estruturas moles e duras sejam fáceis de fabricar na macroescala (milímetro e acima), elas são muito mais difíceis de realizar na microescala (micrômetro e abaixo). Isso ocorre porque se torna cada vez mais desafiador integrar e manipular componentes mecanicamente distintos em escala menor. Os métodos tradicionais de fabricação, como a litografia, enfrentam várias 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. Os coloides são partículas minúsculas com 1/100 do tamanho do cabelo humano e podem ser feitos de vários materiais. Quando projetadas adequadamente, as partículas podem interagir umas com as outras, reunindo-se espontaneamente em superestruturas ordenadas. Como um método bottom-up, a montagem coloidal é vantajosa para fazer estruturas em microescala porque permite um controle preciso sobre a criação das estruturas desejadas a partir de vários blocos de construção, possuindo um maior rendimento. No entanto, a dificuldade é como guiar as partículas para montar a estrutura mole-dura desejada.
Usando 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 se combinar com gotículas líquidas moles para formar cadeias lineares. Os componentes duros e macios assumem posições alternadas na cadeia, imitando a estrutura da coluna vertebral, ou seja, o MicroSpine.
“Também introduzimos um mecanismo pelo qual o componente macio da cadeia pode se 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 PhD Candidato no Departamento de Química da HKU.
Usando o sistema MicroSpine, a equipe também demonstrou vários modos de atuação precisos quando as partes macias da corrente são modificadas seletivamente. Além disso, as correntes têm sido utilizadas para encapsulamento e liberação de objetos convidados, controlados exclusivamente pela temperatura.
A realização dessas funções é significativa para o desenvolvimento futuro do sistema, pois pode levar à criação de microrrobôs inteligentes capazes de realizar tarefas sofisticadas em microescala, como entrega de medicamentos, detecção localizada e outras aplicações. Os componentes de microescala altamente uniformes e precisamente estruturados podem ser usados para criar sistemas ou sensores de entrega de drogas mais eficazes que podem detectar moléculas específicas com alta sensibilidade e precisão.
A equipe de pesquisa acredita que esta tecnologia representa um passo importante para a 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 partes coloidais.’ Inspirando-se na natureza, a equipe de pesquisa espera projetar mais sistemas biomiméticos que possam realizar tarefas complexas em microescala e além.
A pesquisa é financiada pelo Research Grants Council (RGC).