Menselijke skeletspieren hebben een unieke combinatie van eigenschappen die materiaalonderzoekers zoeken voor hun eigen creaties. Ze zijn sterk, zacht, vol met water, en bestand tegen vermoeidheid. Een nieuwe studie door MIT-onderzoekers heeft één manier gevonden om synthetische hydrogels dit totale pakket aan eigenschappen te geven:ze door middel van een krachtige training.

Vooral, de wetenschappers hebben de hydrogels mechanisch getraind door ze in een waterbad uit te rekken. En net als bij skeletspieren, de herhalingen in de "gym" hebben hun vruchten afgeworpen. De training heeft de nanovezels in de hydrogels uitgelijnd om een ​​sterke, zacht, en gehydrateerd materiaal dat bestand is tegen afbraak of vermoeidheid tijdens duizenden repetitieve bewegingen.

De polyvinylalcohol (PVA) hydrogels die in het experiment zijn getraind, zijn bekende biomaterialen die onderzoekers gebruiken voor medische implantaten, medicijn coatings, en andere toepassingen, zegt Xuanhe Zhao, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. "Maar een met deze vier belangrijke eigenschappen is tot nu toe niet ontworpen of geproduceerd."

In hun krant deze week gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , Zhao en zijn collega's beschrijven hoe de hydrogels ook 3D-geprint kunnen worden in verschillende vormen die kunnen worden getraind om de reeks spierachtige eigenschappen te ontwikkelen.

In de toekomst, de materialen kunnen worden gebruikt in implantaten zoals "hartkleppen, kraakbeen vervangingen, en spinale schijven, evenals in technische toepassingen zoals zachte robots, ' Zegt Zhao.

Andere MIT-auteurs op het papier zijn onder meer afgestudeerde student Shaoting Lin, postdoc Ji Liu, en afgestudeerde student Xunyue Liu in het laboratorium van Zhao.

Trainen voor kracht en meer

Uitstekend dragende natuurlijke weefsels zoals spieren en hartkleppen zijn een bio-inspiratie voor materiaalonderzoekers, maar het was een hele uitdaging om materialen te ontwerpen die al hun eigenschappen tegelijk vastleggen, Zegt Zhao.

Bijvoorbeeld, men kan een hydrogel ontwerpen met sterk uitgelijnde vezels om het sterkte te geven, maar het is misschien niet zo flexibel als een spier, of het heeft mogelijk niet het watergehalte dat het geschikt maakt voor gebruik bij mensen. "De meeste weefsels in het menselijk lichaam bevatten ongeveer 70 procent water, dus als we een biomateriaal in het lichaam willen implanteren, een hoger watergehalte is voor veel toepassingen in het lichaam wenselijker, ' legt Zhao uit.

De ontdekking dat mechanische training een spierachtige hydrogel kon produceren, was een beetje een ongeluk, zegt Lin, de hoofdauteur van de PNAS-studie. Het onderzoeksteam had cyclische mechanische belastingstests uitgevoerd op de hydrogels, proberen het vermoeidheidspunt te vinden waar de hydrogels zouden beginnen af ​​​​te breken. In plaats daarvan waren ze verrast toen ze ontdekten dat de cyclische training de hydrogels eigenlijk versterkte.

"Het fenomeen van versterking in hydrogels na cyclische belasting is contra-intuïtief voor het huidige begrip over vermoeidheidsbreuken in hydrogels, maar deelt de gelijkenis met het mechanisme van spierversterking na training, " zegt Lin.

Voor de training, de nanovezels waaruit de hydrogel bestaat, zijn willekeurig georiënteerd. "Tijdens het opleidingsproces wat we ons realiseerden is dat we de nanovezels op één lijn brachten, " zegt Lin, eraan toevoegend dat de uitlijning vergelijkbaar is met wat er gebeurt met een menselijke spier bij herhaalde oefening. Deze training maakte de hydrogels sterker en bestand tegen vermoeidheid. De combinatie van de vier belangrijkste eigenschappen verscheen na ongeveer 1, 000 strekcycli, maar sommige hydrogels waren uitgerekt over 30, 000 cycli zonder kapot te gaan. De treksterkte van de getrainde hydrogel, in de richting van de uitgelijnde vezels, verhoogd met ongeveer 4,3 keer ten opzichte van de niet-uitgerekte hydrogel.

Tegelijkertijd, de hydrogel toonde zachte flexibiliteit, en handhaafde een hoog watergehalte van 84 procent, vonden de onderzoekers.

De antivermoeidheidsfactor

De wetenschappers wendden zich tot confocale microscopie om de getrainde hydrogels van dichterbij te bekijken, om te zien of ze de redenen achter hun indrukwekkende anti-vermoeidheidseigenschap konden ontdekken. "We laten deze duizenden cycli van belasting doorstaan, dus waarom faalt het niet?" zegt Lin. "Wat we deden is een snee maken loodrecht op deze nanovezels en probeerden een scheur of beschadiging in dit materiaal te verspreiden."

"We hebben de vezels onder de microscoop geverfd om te zien hoe ze vervormden als gevolg van de snede, [en ontdekte dat] een fenomeen genaamd crack pinning verantwoordelijk was voor weerstand tegen vermoeiing, "zegt Ji.

"In een amorfe hydrogel, waar de polymeerketens willekeurig zijn uitgelijnd, het kost niet te veel energie om schade door de gel te verspreiden, Lin voegt eraan toe. "Maar in de uitgelijnde vezels van de hydrogel, een scheur loodrecht op de vezels wordt op zijn plaats 'vastgepind' en wordt voorkomen dat deze langer wordt omdat het veel meer energie kost om de uitgelijnde vezels één voor één te breken."

In feite, de getrainde hydrogels doorbreken een beroemde vermoeidheidsdrempel, voorspeld door de Lake-Thomas-theorie, die de energie voorstelt die nodig is om een ​​enkele laag amorfe polymeerketens te breken, zoals die waaruit PVA-hydrogels bestaan. De getrainde hydrogels zijn 10 tot 100 keer beter bestand tegen vermoeidheid dan voorspeld door de theorie, Zhao en zijn collega's besloten.