Nel bisso collagene e un mix di elasticità e rigidità

Nuovi materiali sintetici dalle cozze? Scoperto il segreto della loro resistenza

Possibili importanti applicazioni in campo medico e per il rilevamento ambientale

[26 luglio 2013]

Comprendere la forza di allegati subacquei del mollusco potrebbe consentire una migliore produzione di colle e interfacce biomediche. Nature Communications pubblica lo studio Impact tolerance in mussel thread networks by heterogeneous material distribution nel quale Zhao Qin e Markus J. Buehler, due ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (Mit) su Nature Communications, spiegano che «I Mytilidae, generalmente conosciuti come cozze marine, sono noti per attaccarsi alla maggior parte dei substrati tra i quali la pietra, il legno, il cemento e il ferro, utilizzando una rete di filamenti di bisso. Le cozze sono sottoposte a forti impatti meccanici causati dalle onde. Tuttavia, è sconcertante come la rete di filamenti di bisso mantenga la cozza attaccata in questo impegnativo ambiente meccanico, dato che le forze dinamiche superano di gran lunga la forza misurata dei filamenti di bisso ed il loro attaccamento all’ambiente». 

Lo studio mette insieme esperimenti e simulazioni e dimostra che «La distribuzione di materiale eterogeneo nei filamenti di bisso ha un ruolo fondamentale nel ridurre l’effetto di carico dell’impatto». I ricercatori hanno scoperto «Una combinazione di materiali rigidi e morbidi, con un rapporto di 80:20, permette alle cozze di dissipare in modo rapido ed efficacemente l’energia di impatto. In particolare, questo facilita una forza significativamente migliore sotto un carico dinamico di oltre il 900% rispetto alla resistenza sotto carico statico».

A differenza di cirripedi, che si “cementano” saldamente a rocce, moli e scafi delle navi, le cozze pendono più liberamente da queste superfici, attaccati ad una trama di filamenti sottilissimi, il bisso, noti fin dall’antichità ed utilizzati anche per tessere preziosi tessuti. Questo approccio consente ai mitili di ondeggiare nell’acqua da dove filtrano le sostanze nutritive, ma li espone al pericolo di essere strappati via dalla forza delle onde che si infrangono sui substrati che li ospitano, una cosa che non accade quasi mai.

Mit News spiega che «Nonostante l’aspetto sottile e fragile di questi filamenti, si è scoperto che in un ambiente dinamico, sbattuti da onde e correnti, possono resistere a forze di impatto che sono 9 volte maggiori delle forze esercitate dallo “stretching” in una sola direzione».

Qin e Buhler sono finalmente riusciti a svelare il segreto di questi elastici filamenti naturali scoprendo che sono composti da una combinazione di ben assortita da una parte di materiale morbido, elastico e dall’altra di materiale molto più rigido e spiegano che «Entrambi i materiali, nonostante le loro differenti proprietà meccaniche, sono fatti di una proteina strettamente legata al collagene, uno dei principali costituenti di pelle, ossa, cartilagine e tendini».

Per i loro test e modellazioni i due ricercatori del Mit hanno messo per tre settimane una gabbia subacquea nel porto di Boston, durante le quali le cozze si sono attaccate alle superfici di vetro, ceramica, legno e argilla.  Riportate in laboratorio, le cozze con i filamenti ed i substrati sono stati inseriti in una macchina a trazione progettato per testare la loro forza, tirandoli con una deformazione controllata e registrando la forza applicata durante la deformazione.

Qin, dl Laboratory for atomistic and molecular mechanics del Mit,  evidenzia che «Molti ricercatori avevano già studiato prima la colla delle cozze. Ma la resistenza statica della colla, e dello stesso filo, non è sufficiente a reggere l’impatto con le onde». Solo attraverso la misurazione delle prestazioni del sistema in condizioni di onde simulate che lui e Buehler hanno potuto determinare come è possibile l’incredibile tenacia dei mitili. «Abbiamo pensato che ci dovesse essere qualcos’altro – spiega Buehler, che dirige Dipartimento di ingegneria civile e ambientale del Mit – L’adesivo è forte, ma non è sufficiente. La chiave è la distribuzione della rigidità lungo i fili» Il che suggerisce che la distribuzione delle proprietà intrinseche dei materiali e l’architettura complessiva dell’attaccamento  dei mitili siano  importanti.

La distribuzione della rigidità nelle cozze permette loro di resistere alla grande forza dell’impatto delle onde. Circa l’80% cento della lunghezza dei filamenti di bisso è costituita da materiale rigido, mentre il 20% o è più morbido ed allungabile. Questo preciso rapporto è essenziale, secondo i ricercatori, la parte morbida ed elastica si attacca alla cozza stessa, mentre quella più rigida si attacca alla roccia od a qualunque substrato rigido, «Abbiamo scoperto che… il 20% del materiale più morbido ed estensibile è fondamentale per l’adesione della cozza», evidenzia Qin.

Nelle loro simulazioni, Qin e Buehler hanno testato sistematicamente altri rapporti della composizione del materiale ed hanno scoperto che il rapporto 80-20 consente ali mitili una forza di reazione minore, avere materiale più morbido aumenta la forza di reazione perché può efficacemente rallentare la deformazione. Inoltre, il materiale più rigido nei filamenti di bisso ha altri vantaggi, in quanto impedisce che le cozze vengano tirate troppo lontano dalle onde, il che «Renderebbe più facile colpire altri oggetti» e quindi di subire danni.

Qin e Buehler sono convinti che questa nuova scoperta delle proprietà del bisso «Potrebbe aiutare nella progettazione di materiali sintetici che condividono alcune di queste proprietà. Per esempio, le suture chirurgiche utilizzate nei vasi sanguigni o negli intestini sono sottoposte a pulsazioni del flusso di liquidi o irregolari, l’utilizzo di materiali che combinano rigidità e elasticità, come fanno i filamenti di bisso, potrebbe fornire vantaggi. Ci possono essere anche richieste di materiali per fissare strumenti agli edifici, o sensori per i veicoli subacquei o apparecchiature di rilevamento in condizioni estreme».