Onderzoekers van Northwestern Engineering hebben een theoretisch model ontwikkeld om zachte materialen te ontwerpen die autonome oscillerende eigenschappen vertonen die biologische functies nabootsen. Het werk zou het ontwerp kunnen bevorderen van responsieve materialen die worden gebruikt om therapieën te leveren, evenals voor robotachtige zachte materialen die autonoom werken.

Het ontwerp en de synthese van materialen met biologische functies vereisen een delicate balans tussen structurele vorm en fysiologische functie. Tijdens de embryonale ontwikkeling, bijvoorbeeld, platte vellen embryonale cellen veranderen door een reeks plooien in ingewikkelde driedimensionale structuren zoals takken, buizen, en voren. Deze, beurtelings, dynamisch worden, driedimensionale bouwstenen voor organen die vitale functies uitvoeren zoals hartslag, opname van voedingsstoffen, of informatieverwerking door het zenuwstelsel.

Dergelijke vormvormende processen, echter, worden gecontroleerd door chemische en mechanische signaleringsgebeurtenissen, die op microscopisch niveau niet volledig worden begrepen. Om deze kloof te overbruggen, onderzoekers onder leiding van Monica Olvera de la Cruz ontwierpen computationele en experimentele systemen die deze biologische interacties nabootsen. Hydrogelen, een klasse van hydrofiele polymeermaterialen, zijn naar voren gekomen als kandidaten die vormveranderingen kunnen reproduceren na chemische en mechanische stimulatie die in de natuur wordt waargenomen.

De onderzoekers ontwikkelden een theoretisch model voor een op hydrogel gebaseerde schaal die autonome morfologische veranderingen onderging wanneer ze werden geïnduceerd door chemische reacties.

"We ontdekten dat de chemicaliën de lokale micro-omgeving van de gel veranderden, het op autonome wijze laten zwellen en ontzwellen van materialen via chemo-mechanische spanningen, " zei de la Cruz, Advocaat Taylor Professor in Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering. "Dit genereerde dynamische morfologische verandering, inclusief periodieke oscillaties die doen denken aan hartslagen in levende systemen."

Een krant, getiteld "Chemisch gecontroleerde patroonvorming in zelfoscillerende elastische schelpen, " werd 1 maart gepubliceerd in het tijdschrift PNAS . Siyu Li en Daniel Matoz-Fernandez, postdoctorale fellows in het laboratorium van Olvera de la Cruz, waren co-eerste auteurs van het papier.

In de studie, de onderzoekers ontwierpen een chemisch reagerende polymere schaal die bedoeld was om levende materie na te bootsen. Ze pasten de mechanische eigenschappen op waterbasis van de hydrogelschil toe op een chemische soort, een chemische stof die specifiek patroongedrag produceert - in dit geval golfachtige oscillaties - die zich in de schaal bevinden. Na het uitvoeren van een reeks reductie-oxidatiereacties - een chemische reactie die elektronen tussen twee chemische soorten overbrengt - genereerde de schaal microcompartimenten die kunnen uitzetten of samentrekken, of het induceren van knik-ontknikgedrag wanneer mechanische instabiliteit werd geïntroduceerd.

"We hebben de mechanische respons van de hydrogel gekoppeld aan veranderingen in de concentratie van de chemische soorten in de gel als een feedbacklus, Matoz-Fernandez zei. "Als het niveau van chemicaliën een bepaalde drempel overschrijdt, water wordt geabsorbeerd, de gel opzwellen. Wanneer de gel opzwelt, de chemische soort wordt verdund, het triggeren van chemische processen die het water van de gel verdrijven, daarom samentrekken van de gel."

Het model van de onderzoekers zou kunnen worden gebruikt als basis om andere zachte materialen te ontwikkelen die uiteenlopende, dynamische morfologische veranderingen. Dit zou kunnen leiden tot nieuwe strategieën voor medicijnafgifte met materialen die de diffusiesnelheid van gecompartimenteerde chemicaliën verhogen of ladingen met specifieke snelheden vrijgeven.

"Men zou kunnen, in principe, ontwerp katalytische microcompartimenten die uitzetten en samentrekken om componenten met een specifieke frequentie te absorberen of vrij te geven. Dit kan leiden tot meer gerichte, op tijd gebaseerde therapieën om ziekten te behandelen, ' zei Li.

Het werk zou ook kunnen bijdragen aan de toekomstige ontwikkeling van zachte materialen met robotachtige functionaliteit die autonoom werken. Deze 'zachte robotica' zijn naar voren gekomen als kandidaten om de chemische productie te ondersteunen, hulpmiddelen voor milieutechnologieën, of slimme biomaterialen voor medicijnen. Toch zijn de materialen afhankelijk van externe prikkels, zoals licht, functioneren.

"Ons materiaal werkt autonoom, dus er is geen externe controle bij betrokken, "Zei Li. "Door de schaal te 'porren' met een chemische reactie, je activeert de beweging."

De onderzoekers zijn van plan voort te bouwen op hun bevindingen en de kloof tussen wat mogelijk is in de natuur en het science lab verder te overbruggen.

"Het doel op lange termijn is om autonome hydrogels te maken die complexe functies kunnen uitvoeren die worden geactiveerd door aanwijzingen die zo eenvoudig zijn als een lokale mechanische vervorming, ' zei Olvera de la Cruz.