Nanomateriali in carbonio e le loro applicazioni nei muscoli artificiali.

The evolution of nanotechnologies, and more particularly the use of carbon nanomaterials, have significantly revolutionized the field of bioengineering, opening new perspectives especially in the development of artificial muscles. These materials, including carbon nanotubes, carbon nanofibres and graphene, have outstanding mechanical and electrochemical properties such as high tensile strength, lightness, electrical and thermal conductivity. These characteristics make them particularly suitable for replicating the dynamic behaviour of biological muscles, ensuring rapid and powerful contractions in response to electrical or thermal stimuli. This paper analyses in detail the structural, mechanical, electrochemical and synthesis techniques of the main carbon-based nanomaterials, Highlighting the crucial role of their chemical functionalization in improving their biocompatibility and ability to integrate into biological tissues. Special attention is paid to artificial muscles based on twisted and coiled fibers, which show reversible contraction capacity up to about 30% of their initial length and a specific power higher than that of natural muscles. The thesis also explores the practical applications of these devices in the field of artificial muscles, bioengineering and regenerative medicine, proposing some specific examples, and highlighting how the integration of carbon-based nanomaterials with other technologies can improve many aspects of them, including energy and thermal efficiency, mechanical properties and dynamic behaviour. Finally, the main remaining challenges are mentioned, including cost reduction, production scalability and ensuring long-term biocompatibility, Outlining future prospects for the integration of these nanomaterials in the design of advanced and increasingly efficient bioengineering devices.

L’evoluzione delle nanotecnologie, e più in particolare l’impiego dei nanomateriali in carbonio, hanno rivoluzionato significativamente il settore della bioingegneria, aprendo nuove prospettive specialmente nello sviluppo dei muscoli artificiali. Questi materiali, tra cui i nanotubi di carbonio, le nanofibre di carbonio e il grafene, possiedono proprietà meccaniche ed elettrochimiche straordinarie, quali elevata resistenza alla trazione, leggerezza, conducibilità elettrica e termica. Tali caratteristiche li rendono particolarmente adatti a replicare il comportamento dinamico dei muscoli biologici, garantendo contrazioni rapide e potenti in risposta a stimoli elettrici o termici. Questo elaborato analizza in dettaglio le proprietà strutturali, meccaniche, elettrochimiche e le tecniche di sintesi dei principali nanomateriali a base di carbonio, evidenziando il ruolo fondamentale della loro funzionalizzazione chimica per migliorarne la biocompatibilità e la capacità di integrarsi nei tessuti biologici. Particolare attenzione è dedicata ai muscoli artificiali basati su fibre ritorte (twisted) e avvolte (coiled), che mostrano capacità di contrazione reversibile fino al 30% circa della loro lunghezza iniziale e una potenza specifica superiore a quella dei muscoli naturali. La tesi esplora inoltre le applicazioni pratiche di questi dispositivi nel campo dei muscoli artificiali, della bioingegneria e della medicina rigenerativa, proponendo alcuni esempi specifici, ed evidenziando come l’integrazione dei nanomateriali a base di carbonio con altre tecnologie possa migliorarne diversi aspetti, tra cui l’efficienza energetica e termica, le proprietà meccaniche ed il comportamento dinamico. Infine, vengono menzionate le principali sfide ancora aperte, tra cui la riduzione dei costi, la scalabilità produttiva e la garanzia di una biocompatibilità a lungo termine, delineando le prospettive future per l’integrazione di questi nanomateriali nella progettazione di dispositivi bioingegneristici avanzati e sempre più performanti.