Net zoals medicijnen met gecontroleerde afgifte hun lading langzaam uitdelen nadat ze een pH-verandering in het lichaam hebben ervaren, geïmplanteerde "kunstmatige spieren" zouden op een dag kunnen buigen en ontspannen als reactie op licht dat de huid verlicht. In pilootstudies, wetenschappers hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat uitzet en samentrekt, een gewicht optillen door er alleen maar een licht op te laten schijnen.

De onderzoekers zullen hun resultaten vandaag presenteren op de American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

"We hebben een nieuw polymeer ontwikkeld met een nieuw mechanisme voor het aansturen van materialen:materialen laten krimpen, een 'herinnering' aan een bepaalde vorm uitbreiden of vasthouden - allemaal met een eenvoudige stimulus, " zegt Jonathan Barnes, doctoraat

Op prikkels reagerende materialen zijn tot op heden in veel verschillende industrieën toegepast. Bijvoorbeeld, sommige veranderen van kleur en worden gebruikt als voorruitcoating om bestuurders in verblindende zon onmiddellijk te verduisteren. Andere materialen kunnen worden gevormd tot vaten die reageren op veranderingen in nutriëntenconcentraties en landbouwgewassen voeden als dat nodig is. Nog andere toepassingen zijn op biomedisch gebied.

Barnes en zijn team aan de Washington University in St. Louis (WUSTL) testen hun nieuwe polymeer uit om te bepalen waarvoor het in het bijzonder geschikt is. Maar het belangrijkste doel was om te zien of het materiaal werk kan doen, een eigenschap die de ontwikkeling van een kunstmatige spier zou kunnen vergemakkelijken.

Tijdens de middelbare school, Barnes bestudeerde een groep moleculen, bekend als viologen, die van kleur veranderen bij het optellen en aftrekken van elektronen. Barnes vermoedde dat als deze moleculen aan elkaar waren gekoppeld, ze zouden vouwen als een accordeon omdat gebieden die een enkel elektron accepteren elkaar herkennen. Hij vroeg zich ook af of de actie van de vouwende moleculen een 3D-netwerk zou kunnen laten bewegen, en of hij het proces omkeerbaar zou kunnen maken.

Om deze problemen aan te pakken, Het team van Barnes bij WUSTL synthetiseerde polymeerketens met viologenen in hun ruggengraat. Toen een blauw LED-licht op de moleculen scheen, ze vouwden in plooien met behulp van bekende photoredox-katalysatoren die elektronen kunnen overbrengen naar de viologenen. De onderzoekers verwerkten de polymeren vervolgens in een flexibel, wateroplosbare 3D-hydrogel. Toen het team licht op de gel scheen, het accordeoneffect dat optrad in het molecuul trok de gel naar binnen, waardoor het materiaal verschrompelt tot een tiende van de oorspronkelijke grootte. Toen het licht uitging, het materiaal breidde zich uit. Toen de in polymeer ingebedde hydrogel van vorm veranderde, het veranderde ook van kleur.

"Het mooie van ons systeem is dat we een klein beetje van ons polymeer kunnen nemen, een polyviologen genoemd, en zet het in elk type 3D-netwerk, het veranderen in een op prikkels reagerend materiaal, ", zegt Barnes. Minder dan één procent van het gewicht van de hydrogel moet polyviologen bevatten om een ​​reactie te krijgen. Het polymeer heeft dus geen significant effect op de andere eigenschappen van het materiaal waarin het zich bevindt.

Om erachter te komen of het materiaal zou kunnen werken, de groep bevestigde de gel aan een strook elektrische tape met een stuk draad aan het uiteinde. Ze hingen een klein gewicht aan de draad en hingen de hydrogel voor een blauw licht. De gel tilde het gewicht op - dat ongeveer 30 keer de massa was van de ingebedde polyviologen - en na vijf uur, het steeg enkele centimeters.

De groep heeft nu andere aanpassingen gedaan, inclusief het sterker en elastischer maken van de gels, en ze sneller te laten bewegen. En de onderzoekers hebben polymeren ontwikkeld die op meerdere stimuli tegelijk reageren. Ze hebben ook gels gemaakt die reageren op licht van verschillende golflengten. Materialen die reageren op rood of nabij-infrarood licht, die menselijk weefsel kunnen binnendringen, kan worden gebruikt in biomedische toepassingen, zoals apparaten voor het afleveren van medicijnen of, eventueel, als kunstmatige spieren.

Barnes zegt dat zijn groep pas is begonnen met het testen van de grenzen van deze nieuwe materialen. Momenteel, het team bestudeert de zelfherstellende eigenschappen van in polyviologen ingebedde hydrogels, en ze onderzoeken de mogelijkheid om de polymeren 3D te printen in verschillende soorten materialen.