Revista >> Iunie 2025 [Nr. 274] >> Cercetare & Invatamant superior

Interfețe bio-inspirate pentru dezvoltarea materialelor multifazice degradabile de generație următoare – InsBIOration

Dr. Claudiu Filip, director proiect InsBIOration, director general INCDTIM Cluj-Napoca

30 Iunie 2025

INCDTIM își extinde expertiza în dezvoltarea materialelor pe bază de polidopamină
Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice si Moleculare (INCDTIM) din XCluj Napoca îşi valorifică expertiza unică în dezvoltarea de materiale de acoperire pe bază de polidopamină prin participarea la un proiect din cadrul programului M-ERA.NET. Intitulat InsBioRation, proiectul abordează problema utilizării materialelor complet reciclabile sau biodegradabile propunând o platformă universală pentru suprafețe bio-inspirate și design-ul de interfețe pe bază de polidopamină (PDA) și pe analogi ai acesteia. Polidopamina este un material biomimetic cu aderență similară midiilor, descoperit în 2007(1). De atunci, interesul în utilizarea PDA ca strat intermediar pentru dezvoltarea de suprafețe funcționale a crescut în mod exponențial, în special datorită procesului simplu de depunere, aderenței puternice la aproape orice substrat, biocompatibilității și reactivității chimice.

InsBioRation a fost implementat în cadrul programului M-ERA.NET de către un consorțiu interdisciplinar format din șase organizații de cercetare și trei parteneri industriali (Fig. 1), sub coordonarea Leibniz-Institut für Polymer Forschung, IPF Dresden, dr. Cordelia Zimmerer. INCDTIM a participat la implementarea proiectului(2) cu două grupuri de cercetare, conduse de către dr. Jürgen Liebscher și dr. Claudiu Filip. Scopul principal al activităților a fost dezvoltarea unui portofoliu de tehnologii scalabile pentru producerea „verde” de materiale pe bază de PDA și de analogi ai acesteia ca interfețe pentru acoperiri metalice, pentru dispozitive mai eficiente de stocare a energiei și pentru creare de noi suprafețe antipatogene. S-a urmărit, de asemenea, reciclarea sau biodegradarea lor, precum și transferul spre producția de masă.

Obiective științifice
INCDTIM a coordonat pachetul de lucru denumit Fundamentals and mechanisms of biogenic adhesion. Deoarece până în prezent nu există o descriere unanim acceptată a mecanismelor de aderență a polidopaminei la orice tip de substrat, ne-am propus în cadrul acestui pachet de lucru două obiective majore:
1. Elucidarea rolului pe care îl are gruparea amino asupra aderenţei PDA și ai unor analogi ai acesteia
Pentru evidențierea rolului pe care diferite grupări funcționale ale dopaminei (DA) îl pot avea în formarea filmelor de PDA, o soluție simplă o reprezintă monitorizarea procesului de agregare pornind de la derivați/analogi ai DA. Scopul acestui demers a fost acela de a analiza diferențele față de rezultatele deja cunoscute în cazul PDA, și pentru elucidarea mecanismelor care ar putea explica aderența acestor clase de materiale la substrate. În acest context, am optimizat condițiile de sinteză pentru trei noi analogi ai polidopaminei, numiți pe scurt PADA(3), Poly-4-[3-amino-2-(aminomethyl)propyl]benzene-1,2-diol), PDL(4), Poly-2-aminomethyl-3-(3,4-dihydroxyphenyl)propionamide și PDHBA(5), Poly-3,4-dihydroxybenzylamine.
Comparativ cu dopamina, monomerii corespunzători noilor materiale diferă atât prin numărul de grupări amino (ADA și DL), cât și prin lungimea lanțului alchilic de care este legată gruparea amino (DHBA) – structurile chimice ale acestor unități monomerice sunt prezentate explicit in Fig. 2. Studiile noastre au arătat că aceste modificări ale lanțurilor alchilice afectează natura unităților structurale care pot fi generate în procesul de agregare al materialului final prin polimerizare oxidativă, dar nu și capacitatea de a se forma straturi de acoperire uniforme, cu aderență similară polidopaminei.
Toate cele trei materiale noi au fost caracterizate exhaustiv: dinamica procesului de oxidare a monomerilor a fost monitorizată prin spectroscopie UV-Vis, iar principalele proprietăți fizico-chimice și structurale au fost investigate prin metode spectroscopice (FT-IR, XPS, RES, RMN pe solide) și de microscopie (AFM, SE/TEM).

2. Implementarea de noi metode analitice pentru studiul aderenţei PDA la substrat
Acest obiectiv a presupus validarea experimentală a unor noi abordări în caracterizarea structurală a PDA și ai analogilor acesteia, care să aibă la bază conceptul de selectivitate. Concret, ne-am focalizat pe următoarele două tehnici: (i) caracterizarea prin spectroscopie RMN pe solide utilizând probe marcate izotopic cu 13C și 15N doar la anumite poziții chimice selectate și (ii) monitorizarea interacțiunii PDA-substrat prin metode de tip surface enhanced (în cazul nostru, SERS), deoarece semnalul este captat selectiv doar de la stratul foarte subțire care vine în contact direct cu suprafața substratului.
Abordarea marcării izotopice selective 13C/15N ca etapă cheie în caracterizarea structurală prin RMN pe solide a fost demonstrată pentru PDL. Am pornit de la o schemă de marcare izotopică în trei poziții selectate ale atomilor de carbon și a unei poziții a atomului de azot din lanțul alchil al DL, care s-a dovedit esențială pentru identificarea unităților structurale formate în timpul polimerizării oxidative a DL (Fig. 3). Acest lucru a fost realizat prin analiza spectrelor 13C RMN pe solide și 15N. Rezultatele obținute au fundamentat dezvoltarea unei strategii de marcare izotopică selectivă a polidopaminei și a analogilor săi, oferind o abordare esențială pentru caracterizarea structurală precisă a catecolaminelor în general4 și contribuind semnificativ la dezvoltarea metodologiei analitice a proiectului.

Tehnica dinamică de spectroscopie de împrăștiere Raman amplificată de suprafață (D-SERS) a fost utilizată pentru a monitoriza semnalul DA în timp real și a surprinde momentul formării filmului PDA. Experimentele SERS au fost efectuate folosind suspensii coloidale de argint (Fig. 4a), dar și substraturi solide active SERS (Fig. 4b). În timpul polimerizării oxidative, pot fi observate modificări ale amprentei spectrale datorită acoperirii complete a nanoparticulelor cu o peliculă subțire de PDA. Mecanismele de aderență pentru PDA pe suprafața nanoparticulelor investigate în fază lichidă au fost susținute prin analizarea analogilor DA noi și relevanți, DL6, DHBA5 și ADA3. Comparând semnalul SERS specific al acestor analogi cu cel înregistrat pentru PDA, putem susține mecanismele care stau la baza interacțiunii cu suprafața metalică. În acest sens, profilurile SERS ale catecolului și pirogalolului au fost înregistrate ca referință. În mod concludent, grupul catecol este în apropiere de substratul metalic în toate scenariile testate și putem deduce orientarea favorabilă cu acest grup perpendicular pe suprafață.

InsBIOration, punte de legătură pentru parteneriate viitoare
Proiectul a oferit și oportunitatea consolidării colaborărilor academice prin intermediul vizitelor de lucru, colaborări pe care intenționăm să le dezvoltăm și în viitor. Aceste interacțiuni au inclus două tipuri de evenimente: întâlniri cu participarea tuturor partenerilor și vizite de lucru. Un astfel de prim eveniment a fost organizat la începutul proiectului, în septembrie 2022, când a avut loc, la Cluj, reuniunea de lansare a proiectului InsBIOration kick-off meeting, găzduit de INCDTIM. Cu această ocazie, membrii consorțiului au prezentat rezultatele preliminare, strategia de implementare a proiectului și modalitățile de colaborare dintre echipele de cercetare implicate.
După încheierea stării de urgență sanitară globală cauzată de pandemia COVID-19, am reluat, alături de IPF, vizitele bilaterale care au consolidat colaborarea dintre cercetătorii celor două institute. În anul 2023 am organizat vizite ale cercetătorilor chimiști implicați în sinteza și prepararea probelor, precum și în proiectarea experimentelor, la IPF Dresda.
În 2024, doamna dr. Cordelia Zimmerer a efectuat o vizită la INCDTIM, în cadrul căreia a fost aprofundată colaborarea bilaterală dintre IPF Dresda și INCDTIM Cluj. Vizita a avut ca scop planificarea viitoarelor activități comune de cercetare, evaluarea progreselor înregistrate privind filmele subțiri bioinspirate și caracterizarea lor analitică, precum și schimbul de informații referitoare la infrastructura disponibilă și metodologia de cercetare în cele două instituții. A fost o vizită productivă, iar colaborarea cu partenerii de la IPF ne onorează. Acest schimb internațional a reprezentat un pas esențial nu doar pentru succesul proiectului InsBIOration, ci și pentru dezvoltarea colaborărilor viitoare în domeniul inovării, consolidând cooperarea științifică transfrontalieră în cadrul Uniunii Europene. În 2025, un alt grup de cercetători din cadrul INCDTIM a vizitat laboratoarele IPF Dresda, ocazie cu care au fost împărtășite rezultate ale proiectului și s-a întărit colaborarea reciprocă. Vizita a inclus și un tur ghidat al facilităților IPF Dresda, completat de momente culturale în centrul istoric al orașului Dresda și o degustare a preparatelor locale.