Plastica vivente degradabile: batteri ingegnerizzati disintegrano il PCL

Scienziati cinesi hanno creato materiali plastici capaci di autodistruggersi grazie all’azione di consorzi microbici ingegnerizzati. Chenwang Tang, Jing Sun e il loro team hanno programmato spore batteriche all’interno di matrici di policaprolattone (PCL) per ottenere oggetti che conservano le proprietà meccaniche durante l’uso ordinario e si disintegrano completamente al termine del ciclo vitale. Stimoli termici specifici risvegliano i microrganismi dormienti e attivano il processo di disintegrazione.

Ricercatori cinesi hanno sviluppato plastiche viventi contenenti spore di Bacillus subtilis ingegnerizzate che si attivano col calore per degradare la matrice di PCL. Il sistema utilizza due enzimi, CA-lipasi e BC-lipasi, in rapporto 20:1 per disintegrare completamente il materiale in sei giorni dopo stimolazione termica sopra i 47°C. 

I dispositivi indossabili realizzati con tale tecnologia mantengono resistenza meccanica fino a 28.92 MPa e acquisiscono segnali EMG con efficienza pari agli elettrodi in polimmide per 30 giorni, per poi autodistruggersi in 12 giorni riducendo l'impatto ambientale dei rifiuti elettronici.

Sinergia enzimatica per la degradazione completa

L’impiego del solo enzima CA-lipasi, secreto dal ceppo di Bacillus subtilis, ha mostrato un’attività biodegradativa appena rilevabile e ha lasciato residui di plastica visibili dopo sei giorni di trattamento. Integrando un secondo ceppo batterico secernente l’enzima BC-lipase, i ricercatori hanno superato tale limite. La combinazione dei due enzimi ha portato a una disintegrazione quasi totale della matrice di PCL nel giro di sei giorni, come confermato dalle misurazioni di assorbanza e dall’analisi visiva dei campioni.

I ricercatori hanno identificato nel rapporto 20:1 tra spore portatrici del circuito per la CA-lipasi e spore per la BC-lipasi la proporzione più adatta a massimizzare l’attività cooperativa. Tale configurazione ha consentito al sistema di raggiungere livelli di degradazione della plastica vicini alla completezza entro il sesto giorno di sperimentazione.

Attivazione termica e rilascio delle spore

Il calore agisce come interruttore principale per il rilascio delle spore dalla matrice plastica senza danneggiare la vitalità dei microrganismi. Trattamenti a 100°C per 20 minuti o l’immersione in toluene per 24 ore non hanno compromesso la capacità delle spore di germinare successivamente e raggiungere densità comparabili in 16 ore. Lo screening delle temperature ha indicato che valori superiori a 47°C attivano efficacemente il rilascio delle spore, le quali germinano e aumentano la torbidità del mezzo di coltura.

La deformazione termica della plastica facilita l’uscita delle spore, mentre il solo riscaldamento non disintegra il materiale polimerico. La rottura della matrice di PCL avviene successivamente, grazie alla germinazione cellulare e all’attività metabolica dei batteri risvegliati. Immersioni prolungate in acqua a temperatura ambiente per un mese non hanno provocato alcun rilascio di spore, garantendo la stabilità del materiale durante le condizioni d’uso ordinarie.

Proprietà meccaniche e applicazioni wearable

I test di resistenza alla trazione hanno verificato la solidità della plastica vivente in diverse condizioni di stoccaggio e trattamento. Campioni appena preparati hanno mostrato una resistenza ultima media di 25.82 MPa, valore salito a 28.88 MPa dopo 15 giorni a temperatura ambiente. L’immersione in acqua a 50°C ha mantenuto la resistenza a 25.48 MPa, mentre una settimana in acqua a 25°C ha portato il valore a 28.92 MPa. Tali dati confermano la stabilità meccanica del materiale composito.

Il processo di fabbricazione prevede la creazione di dispositivi indossabili sandwichando circuiti in rame tra due strati di PCL, fusionati tramite pressatura a caldo. Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) hanno rivelato un’interfaccia fusa dove i due strati polimerici si uniscono in un film monolitico, separati solo nelle zone protette da carta release o ablazione laser.

Monitoraggio fisiologico e disintegrazione programmata

Dispositivi realizzati con plastica vivente hanno dimostrato capacità di acquisizione di segnali elettromiografici (EMG) paragonabili agli elettrodi tradizionali in polimmide (PI). Dopo 30 giorni di utilizzo, gli elettrodi incapsulati in PCL vivente hanno mantenuto un rapporto segnale-rumore (SNR) di 9.05 ± 0.08, valore vicino ai 9.62 ± 0.22 registrati dal controllo in PI e ai 9.25 ± 0.35 della plastica vivente non elettrodepositata. L’impiego di gel conduttivo all’interfaccia elettrodo-pelle ha assicurato la fedeltà del segnale registrato.

La differenza critica tra i materiali si manifesta al termine della vita utile del dispositivo. L’elettrodo realizzato con plastica vivente ha mostrato una disintegrazione quasi totale in 12 giorni dopo l’attivazione, mentre l’elettrodo in PCL tradizionale è rimasto integro sottoposto allo stesso trattamento. L’analisi LC-MS ha identificato i sottoprodotti della degradazione nei campioni indotti, confermando la trasformazione della matrice polimerica in composti più semplici.

Fonte:

• pubs.acs.org