Hydrogels zijn polymeermaterialen die meestal uit water worden gemaakt. Ze kunnen worden gebruikt in een breed scala aan medische en andere toepassingen. Echter, eerdere incarnaties van de materialen leden aan herhaalde mechanische spanning en zouden gemakkelijk vervormd raken. Een nieuw kristal dat omkeerbaar kan vormen en vervormen, laat hydrogels snel herstellen van mechanische stress. Dit opent het gebruik van dergelijke biocompatibele materialen op het gebied van kunstmatige gewrichten en ligamenten.

Velen van ons hebben af ​​en toe een sportblessure of ervaren op een bepaald moment in ons leven een soort pijn met betrekking tot gewrichten en ligamenten. Voor ernstige verwondingen van deze aard, er is vaak weinig aan te doen om de schade te herstellen. Maar een nieuwe ontwikkeling op het gebied van waterrijke polymeermaterialen, bekend als hydrogels, zou over ongeveer 10 jaar zijn weg naar de operatiekamer kunnen vinden. En ze moeten bestand zijn tegen dezelfde mechanische spanningen die onze natuurlijke gewrichts- en ligamentweefsels ook ervaren. Ze worden zelfversterkte gels genoemd.

"Het probleem met bestaande hydrogels is dat ze mechanisch zwak kunnen zijn en dus versterking nodig hebben, " zei universitair hoofddocent Koichi Mayumi van het Institute for Solid State Physics aan de Universiteit van Tokyo. "Echter, eerdere methoden om ze harder te maken werken slechts een beperkt aantal keren, of soms maar één keer. Die gels herstellen helemaal niet snel van spanningen zoals schokken. Dus hebben we gekeken naar andere materialen die wel een sterke herstelbaarheid vertonen, zoals natuurlijk rubber. Geïnspireerd door deze, we hebben een hydrogel gemaakt die rubberachtige taaiheid en herstelbaarheid vertoont met behoud van flexibiliteit."

Eerdere voorbeelden van geharde hydrogels gebruiken zogenaamde opofferingsbindingen die breken wanneer ze worden vervormd. De vernietiging van de offerbanden zou de mechanische energie verdrijven en de materiële sterkte geven, maar de offerbanden zouden tijd vergen, soms minuten, herstellen. En soms herstelden ze helemaal niet.

In tegenstelling tot, Mayumi en zijn team introduceerden kristallen die onder spanning tot stijve vormen samenkomen, maar zeer snel terugkeren naar een geltoestand wanneer de stam wordt vrijgegeven. Met andere woorden, de algehele hydrogel is extreem flexibel in rust, maar wordt steviger bij impact, net zoals natuurlijke rubbers doen. De kristallijne structuren zijn samengesteld uit polyethyleenglycol (PEG) ketens gebonden door hydroxypropyl-α-cyclodextrine (HPαCD) ringen in een hydrogel op waterbasis.

"Aangezien hydrogels voor meer dan 50% uit water bestaan, ze worden als zeer biocompatibel beschouwd, essentieel voor medische toepassingen, " zei Mayumi. "De volgende fase van het onderzoek voor ons is om verschillende rangschikkingen van moleculen te proberen. Als we de structuren die we gebruiken kunnen vereenvoudigen, dan kunnen we de kosten van materialen verlagen, wat ook de acceptatie ervan door de medische industrie zal helpen versnellen."