Een strategie die is geïnspireerd op het proces dat verantwoordelijk is voor spiergroei, zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van sterkere, duurzamere materialen.

Onderzoekers van de Hokkaido University hebben een strategie ontwikkeld om materialen te fabriceren die sterker worden als reactie op mechanische stress, waarbij de groei van skeletspieren wordt nagebootst. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , kan de weg vrijmaken voor duurzame materialen die zich kunnen aanpassen en versterken op basis van de omgevingsomstandigheden.

De strategie is geïnspireerd op het proces dat menselijke skeletspieren sterker maakt. Als gevolg van krachttraining in de sportschool, bijvoorbeeld, spiervezels breken af, het aanmoedigen van de vorming van nieuwe, sterkere vezels. Om dit te laten gebeuren, de spieren moeten worden voorzien van aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, die samenkomen en spiervezels vormen.

Jian Ping Gong van de Hokkaido University is gespecialiseerd in polymeerwetenschap. Haar onderzoeksteam ontwikkelde een strategie die gebruikmaakt van 'dubbele netwerk-hydrogels' die het bouwproces van skeletspieren nabootsen.

Hydrogels met dubbel netwerk zijn een zachte, maar taai materiaal gevormd uit ongeveer 85 gewichtsprocent water en twee soorten polymeernetwerken:een stijf en bros, en de andere zacht en rekbaar.

Het team plaatste een hydrogel met dubbel netwerk in een oplossing die moleculen bevat, monomeren genoemd, die kunnen worden samengevoegd tot grotere verbindingen die polymeren worden genoemd. Deze oplossing emuleert de rol van circulerend bloed dat aminozuren naar skeletspieren vervoert.

Het uitoefenen van trekkracht (uitrekken) op de hydrogel zorgt ervoor dat sommige van zijn stijve en broze polymeerketens breken. Dit leidt tot de vorming van een chemische soort genaamd 'mechanoradicals' aan de uiteinden van de gebroken polymeerketens. Deze mechanoradicalen kunnen het samenvoegen van het monomeer dat in de hydrogel wordt geabsorbeerd vanuit de omringende oplossing in een polymeernetwerk veroorzaken, het materiaal versterken.

Met achtereenvolgens strekken, er vindt meer afbraak en opbouw plaats, vergelijkbaar met wat er gebeurt met skeletspieren die krachttraining ondergaan. Door dit proces, de sterkte en stijfheid van de hydrogel verbeterden respectievelijk 1,5 en 23 keer, en het gewicht van de polymeren nam toe met 86%. Het team was verder in staat om de reactie van het materiaal op mechanische kracht aan te passen door een specifiek monomeer te gebruiken dat de reactie van de gel op warmte veranderde; verwarmd bij hoge temperaturen, het oppervlak van de gel werd waterbestendiger.

De onderzoekers zeggen dat hun werk zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van zelfgroeiende gelmaterialen voor toepassingen als flexibele exosuits voor patiënten met skeletletsels; deze pakken zouden mogelijk sterker en functioneler worden naarmate ze meer worden gebruikt. Professor Gong legde uit:"Aangezien veel soorten DN-gels vergelijkbare mechanische kenmerken hebben, dit proces kan worden toegepast op een breed scala aan gels, uitbreiding van het scala aan potentiële toepassingen."