UCLA-materiaalwetenschappers en hun collega's hebben een nieuwe methode ontwikkeld om synthetische biomaterialen te maken die de interne structuur nabootsen, rekbaarheid, sterkte en duurzaamheid van pezen en andere biologische weefsels.

De onderzoekers ontwikkelden een tweeledig proces om de sterkte van bestaande hydrogels te vergroten die kunnen worden gebruikt om kunstmatige pezen te maken, banden, kraakbeen dat 10 keer harder is dan de natuurlijke weefsels. Hoewel de hydrogels voornamelijk water bevatten met weinig vaste stof (ongeveer 10% polymeer), ze zijn duurzamer dan Kevlar en rubber, die beide 100% polymeer zijn. Dit soort doorbraken is tot deze studie nooit bereikt in met water beladen polymeren. die onlangs werd gepubliceerd in Natuur . De nieuwe hydrogels kunnen ook een coating bieden voor geïmplanteerde of draagbare medische apparaten om hun pasvorm te verbeteren, comfort en langdurige prestaties.

"Dit werk toont een veelbelovend pad naar kunstmatige biomaterialen die vergelijkbaar zijn met, zo niet sterker dan, natuurlijke biologische weefsels, " zei studieleider Ximin He, een assistent-professor materiaalkunde en engineering aan de UCLA Samueli School of Engineering.

Hydrogels zijn een brede klasse van materialen met inwendige structuren die bestaan ​​uit kruisende polymeren of gels. Ze zijn veelbelovend voor gebruik als vervangende weefsels, ofwel om wonden tijdelijk te sluiten of als een langdurige of zelfs permanente oplossing. In aanvulling, de gels kunnen toepassingen hebben voor zachte robots en draagbare elektronica.

Echter, huidige hydrogels zijn niet sterk of duurzaam genoeg om weefsels na te bootsen of te vervangen die herhaaldelijk moeten bewegen en buigen terwijl ze gewicht dragen. Om deze problemen aan te pakken, het door de UCLA geleide team gebruikte een combinatie van moleculaire en structurele engineeringbenaderingen die voorheen niet samen werden gebruikt om hydrogels te maken.

Eerst, de onderzoekers gebruikten een methode genaamd "freeze-casting" - een stollingsproces dat resulteert in poreuze en geconcentreerde polymeren, vergelijkbaar met een spons. Tweede, ze gebruikten een "uitzouten" -behandeling om polymeerketens te aggregeren en te kristalliseren tot sterke fibrillen. De resulterende nieuwe hydrogels hebben een reeks verbindende structuren over verschillende schalen - van moleculaire niveaus tot enkele millimeters. De hiërarchie van deze meerdere structuren, vergelijkbaar met die van biologische tegenhangers, maakt het materiaal sterker en rekbaarder.

Zoals blijkt uit het team, deze veelzijdige methode is zeer aanpasbaar en kan verschillende zachte weefsels in het menselijk lichaam repliceren.

De onderzoekers gebruikten polyvinylalcohol, een materiaal dat al is goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration, om hun hydrogel-prototype te maken. Ze testten de duurzaamheid, geen tekenen van achteruitgang zien na 30, 000 cycli van rektesten. onder licht, de nieuwe hydrogel produceerde een levendige glans, vergelijkbaar met echte pezen, bevestiging van de micro/nano-structuren die zich in de gel hebben gevormd.

Naast biomedische toepassingen, de vooruitgang kan potentieel bevatten voor chirurgische machines of bio-elektronica die ontelbare cycli bedienen, en 3D-printen van voorheen onhaalbare configuraties, dankzij de flexibiliteit van de hydrogel. In feite, het team toonde aan dat dergelijke 3D-geprinte hydrogel-architecturen in andere vormen kunnen veranderen in afwachting van veranderingen in temperatuur, zuurgraad of vochtigheid. Werken als kunstmatige spieren, ze zijn veel veerkrachtiger en kunnen veel kracht uitoefenen.