Onderzoekers die zelfherstellende hydrogels willen ontwikkelen, hebben lang geprobeerd het natuurlijke vermogen van mosselen om sterke, flexibele draden onder water waardoor de mosselen aan rotsen kunnen kleven.

Het natuurlijke proces dat deze mosseldraadjes geeft, die byssal worden genoemd, het vermogen om uit elkaar te vallen en opnieuw te vormen is een puur chemisch proces, geen biologische, MIT-afgestudeerde student Seth Cazzell merkte op in een presentatie op de najaarsbijeenkomst van de Materials Research Society in Boston op 5 december.

De cruciale stap in het proces is de chemische binding van polymeerketens aan een metaalatoom (een eiwit-op-metaal binding in het geval van de mossel). Deze verbindingen worden verknoopte metaalcoördinatiebindingen genoemd. Hun grootste kracht treedt op wanneer elk metaalatoom zich bindt aan drie polymeerketens, en ze vormen een netwerk dat resulteert in een sterke hydrogel.

In een onlangs gepubliceerde PNAS papier, Cazzell en universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek Niels Holten-Andersen demonstreerden een methode om een ​​zelfherstellende hydrogel te creëren in een breder scala aan metaalconcentraties door middel van competitie die wordt gecontroleerd door de pH, of zuurgraad en alkaliteit, van het milieu. Cazzell is een voormalig National Defense Science and Engineering Graduate Fellow.

In hun model rekensysteem, Cazzell toonde aan dat bij afwezigheid van pH-gecontroleerde concurrentie, overtollig metaal - meestal ijzer, aluminium, of nikkel - overweldigt het vermogen van het polymeer om sterke verknopingen te vormen. In aanwezigheid van te veel metaal, de polymeren zullen afzonderlijk aan metaalatomen binden in plaats van verknoopte complexen te vormen, en het materiaal blijft een vloeistof.

Een veel bestudeerd op mossel geïnspireerde metaalcoördinerende ligand is catechol. In dit onderzoek, een gemodificeerde catechol, nitrocatechol, was gehecht aan polyethyleenglycol. Door het nitrocatechol-systeem te bestuderen, gecoördineerd met ijzer, evenals een tweede model hydrogelsysteem (histidine gecoördineerd met nikkel), Cazzell heeft experimenteel bevestigd dat de vorming van sterke verknopingen kan worden geïnduceerd onder overmatige metaalconcentraties, ter ondersteuning van hun computationele bewijs van de competitieve rol van hydroxide-ionen (negatief geladen waterstof-zuurstofparen), die fungeren als een concurrent van het polymeer voor binding aan metaal.

Bij deze oplossingen polymeren kunnen in één aan metaalatomen binden, tweeën, of drieën. Wanneer meer metaalatomen aan de hydroxide-ionen binden, er zijn minder metaalatomen beschikbaar om aan polymeeratomen te binden, wat de kans vergroot dat de polymeeratomen aan de metaalatomen zullen binden in sterke drievoudige verknopingen die de gewenste stopverfachtige gel produceren.

"Wat we echt leuk vinden aan deze studie, is dat we niet rechtstreeks naar biologie kijken, maar we denken dat het ons aardig bewijs geeft van iets dat in de biologie zou kunnen gebeuren. Het is dus een voorbeeld van materiaalwetenschap die informeert over wat we denken dat het organisme daadwerkelijk gebruikt om deze materialen te bouwen. ' Zegt Cazzell.

Bij simulaties, Cazzell zette het effect van de hydroxideconcurrent op sterke hydrogelvorming uit en ontdekte dat naarmate de sterkte van de concurrent toeneemt, "we kunnen een reeks aangaan waar we bijna overal een gel kunnen vormen." Maar, hij zegt, "Uiteindelijk wordt de concurrent te sterk, en je verliest het vermogen om een ​​gel te vormen."

Deze resultaten hebben potentieel voor gebruik in geavanceerd 3D-printen van synthetische weefsels en andere biomedische toepassingen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.