Tijdens het eten van afhaalmaaltijden op een dag, Wetenschappers van de Universiteit van Chicago, Bozhi Tian en Yin Fang, begonnen na te denken over de noedels, in het bijzonder, hun elasticiteit. Een specialiteit van Xi'an, Tian's geboorteplaats in China, is tarwenoedels die met de hand worden uitgerekt totdat ze taai worden - sterk en elastisch. Waarom, vroegen de twee materiaalwetenschappers zich af, werden ze in plaats daarvan niet dun en zwak?

Ze begonnen te experimenteren, kilo's en kilo's noedels bestellen bij het restaurant. "Ze werden erg achterdochtig, zei Fang. "Ik denk dat ze dachten dat we hun geheimen wilden stelen om een ​​rivaliserend restaurant te openen."

Maar wat ze aan het voorbereiden waren, was een recept voor synthetisch weefsel - dat biologische huid en weefsel veel beter kon nabootsen dan de bestaande technologie.

"Het blijkt dat korrels van gewoon zetmeel het ontbrekende ingrediënt kunnen zijn voor een composiet dat veel van de eigenschappen van weefsel nabootst, " zei Fang, een UChicago postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van een nieuw artikel gepubliceerd op 29 januari in het tijdschrift Materie . "We denken dat dit de manier waarop we weefselachtige materialen kunnen maken fundamenteel kan veranderen."

Door de doorbraak kan het synthetische weefsel zich in meerdere richtingen uitrekken, maar kan het zichzelf genezen en verdedigen door de interne structuren te reorganiseren - en dat is hoe de menselijke huid zichzelf beschermt. De ontdekking zou op een dag kunnen leiden tot toepassingen van zachte robotica en medische implantaten tot duurzame voedselverpakkingen en biofiltratie.

Zoals veel van de uitvindingen van de natuur, huid en weefsel zijn buitengewone technische hoogstandjes die voor mensen moeilijk na te bootsen zijn. Tian is een vooraanstaand onderzoeker op dit gebied, dit probleem het hoofd te bieden door te zoeken naar interfaces tussen biologische weefsels en door de mens gemaakte systemen.

De meeste huidige opties voor synthetische weefsels kunnen slechts een of twee kenmerken van biologisch weefsel aan:kneedbaarheid maar niet sterkte, of kracht maar niet zelfgenezend.

Experimenteren met de noedels, de wetenschappers ontdekten dat de interne structuur bestond uit een glutennetwerk bezaaid met zetmeelkorrels. "Het leek eigenlijk veel op biologisch weefsel, "Fang zei, "omdat weefsel bestaat uit een extracellulaire matrix die individuele cellen ondersteunt."

Synthetisch weefsel is meestal gemaakt van een gelmesh, die de structuur van de extracellulaire matrix nabootst, maar geen analoog voor de cellen bevat. Maar de wetenschappers vroegen zich af:wat als de cellen een belangrijk onderdeel waren van de weefselmechanica?

Tian en Fang's idee, was om zetmeelkorrels in te bedden in een gelmatrix, denkend dat dit de manier waarop het materiaal bewoog zou veranderen.

Het deed. Het "weefsel" was niet alleen sterk en flexibel, maar het veranderde nadat het was uitgerekt - net zoals wat er gebeurt als je je spieren traint. "Met name dit 'geheugeneffect' is buitengewoon moeilijk synthetisch te repliceren, " zei Tian, die universitair hoofddocent is bij de afdeling Scheikunde.

Het cruciale verschil is de aanwezigheid van de zetmeelkorrels. Ze kunnen enigszins op hun plaats verschuiven wanneer het materiaal wordt gespannen, en hun vermogen om constant te bewegen wijzigt de interne structuur - waardoor het "weefsel" kan vervormen wanneer het anders zou breken.

Hun waterstofbruggen, die zich opnieuw kan vormen nadat ze gebroken zijn, laat het materiaal ook zichzelf genezen. "Zolang ze nog fysiek contact hebben, die banden zullen zich uiteindelijk opnieuw vormen, ' zei Yin.

Het concept biedt mogelijkheden voor een aantal toepassingen. Vooral Fang is geïnteresseerd in het gebruik van het materiaal voor voedselverpakkingen. Sinaasappels of bananen hebben schillen die zijn gemaakt van een vergelijkbare matrix die de impact absorbeert wanneer ze rondstuiteren in een vrachtwagen, maar andere voedingsmiddelen niet - en de componenten zijn biologisch afbreekbaar.

Medische implantaten zijn een ander gebied. De meeste hebben harde componenten nodig, zoals gewrichtsvervangingen, maar deze hebben de neiging om ontstekingen in het menselijk lichaam te veroorzaken. Tian legde uit dat een belangrijke reden is dat er een mechanische mismatch is tussen het harde titanium of staal en de zachte weefsels van het lichaam; synthetisch weefsel zou kunnen dienen als tussenpersoon die de symptomen verlicht. "We hebben ook dringend een synthetisch orgaan nodig dat selectief kan filteren, zoals menselijke nieren doen, en dit kan een weg bieden voor dat soort biofiltratie, ' zei Tian.

Tian en Fang kunnen zich het concept ook voorstellen dat bruikbaar is in zachte robotica, een opkomend veld dat robots mogelijkheden biedt die harde materialen niet hebben, zoals knijpen in kleine plaatsen of het voorzichtig vastpakken van objecten.

“Er zijn zoveel mogelijkheden, " zei Fang. "We kijken er echt naar uit om meer in detail te onderzoeken."

"Dit is echt een nieuwe kijk op biomimetica, "Zei Tian. "Meestal op dit gebied bootsen we natuurlijke evolutie na. Maar je kunt ook menselijke praktijken nabootsen die zich ontwikkelden - in dit geval meer dan duizend jaar noedels maken in China."