Forskare har letat efter sätt att utveckla material som är lika dynamiska som levande varelser, med förmågan att ändra form, flytta och ändra egenskaper reversibelt.

Nu, med naturen som inspiration, Forskare från Northwestern University har utvecklat mjuka material som autonomt sätts ihop till molekylära överbyggnader och demonteras anmärkningsvärt på begäran, ändra materialegenskaper och öppna dörren för nya material i applikationer som sträcker sig från sensorer och robotteknik till nya läkemedelsleveranssystem och verktyg för vävnadsregenerering.

De mycket dynamiska nya materialen bildar hydrogeler och har också gett oväntade biologiska ledtrådar om hjärnans mikromiljö efter skada eller sjukdom när deras överbyggnader avslöjade reversibla fenotyper i hjärnceller som är karakteristiska för skadad eller frisk hjärnvävnad.

"Vi är vana vid att tänka på material som har en statisk uppsättning egenskaper, sade Samuel I. Stupp, medförfattare till tidningen. "Vi har visat att vi kan skapa mycket dynamiska syntetiska material som kan förvandla sig själva genom att bilda överbyggnader och kan göra det reversibelt på begäran, vilket är ett verkligt genombrott med djupgående konsekvenser."

Resultaten redovisas idag (4 oktober) i tidskriften Vetenskap . Stupp är chef för Northwesterns Simpson Querrey Institute och är styrelsens professor i materialvetenskap och teknik, Kemi, Medicin och biomedicinsk teknik. Erik Luijten, Professor och ordförande för materialvetenskap och teknik- och teknikvetenskaper och tillämpad matematik, är medkorresponderande författare.

För att skapa materialet, Stupp och hans postdoktor Ronit Freeman, nu docent vid University of North Carolina, Chapel Hill, utvecklat vissa molekyler sammansatta av peptider (föreningar av aminosyror) och andra sammansatta av peptider och DNA. När de placeras tillsammans, dessa två typer av molekyler sammanfogade för att bilda vattenlösliga nanoskala filament.

När filament innehållande komplementära DNA-sekvenser som kunde bilda dubbla helixar blandades, de DNA-innehållande molekylerna designade för att skapa dubbla helixar "hoppade ut" ur sina filament för att organisera de unika komplexa överbyggnaderna, lämnar kvar molekylerna utan DNA för att bilda enkla filament.

DNA-överbyggnaderna, som innehåller miljontals molekyler, såg ut som tvinnade buntar av filament som nådde dimensioner i storleksordningen mikron i både längd och bredd. Det resulterande materialet var från början en mjuk hydrogel, som blev mekaniskt styvare allteftersom överbyggnaderna bildades. Strukturerna var hierarkiska – vilket betyder att de innehöll ordnade strukturer i olika storleksskalor. Naturen gör detta mycket bra - ben, muskler och trä är hierarkiska material — men sådana strukturer har varit mycket svåra att uppnå i syntetiska material.

Ännu bättre, forskarna fann att när de lade till en enkel DNA-molekyl som kunde störa de dubbla spiralerna som sammankopplar filamenten i överbyggnaderna, buntarna lossnade, och materialet återgick till sin enkla ursprungliga struktur och mjukare tillstånd. En annan typ av molekyl kan sedan användas för att reformera de styvare materialen som innehåller överbyggnader. Den typen av reversibilitet hade aldrig tidigare uppnåtts.

För att bättre förstå hur denna process fungerade, Stupp kopplad till Luijten, en beräkningsmaterialforskare. Luijten, med sin doktorand Ming Han, utvecklat simuleringar som hjälpte till att förklara mekaniken bakom hur och varför buntarna bildades och vreds. I sådana simuleringar, Han och Luijten kunde undersöka hur varje del av de designade molekylerna kunde styra skapandet av överbyggnaderna. Efter omfattande beräkningar – varje beräkning tog veckor på Northwesterns Quest superdator – fann de att molekylerna inte behövde DNA för att buntas ihop utan kunde bildas i princip av många andra par av molekyler med kemiska strukturer som interagerar starkt med varandra.

"Baserat på vår förståelse av mekanismen, vi förutspådde att bara positiva och negativa laddningar på ytan av filamenten skulle vara tillräckliga, " sa Luijten. Det innebar att sådana överbyggnader kunde skapas utan närvaro av DNA, i ett helt syntetiskt material.

Stupp och hans labbmedlemmar skapade sedan samma material med endast peptider istället för DNA. När forskarna använde peptider med motsatta laddningar i en specifik arkitektur som efterliknar DNA-komplementaritet, de fann att de självmonterade till överbyggnader som också var reversibla när laddningarna neutraliserades.

De potentiella användningsområdena för dessa material expanderar till medicin och vidare. En komplex terapi med proteiner, antikroppar, droger till och med gener kan lagras i överbyggnaderna och släppas ut i kroppen vid behov när de hierarkiska strukturerna försvinner. Forskare kan också söka efter nya material där de reversibla överbyggnaderna leder till förändringar i elektroniska, optiska eller mekaniska egenskaper, eller till och med färg och ljusemission, sa Stupp.

"Nu när vi vet att detta är möjligt, andra forskare kan använda sin fantasi och designa nya molekyler på jakt efter dessa nya "dynamiska" material som omorganiseras internt på begäran för att ändra egenskaper, " han sa.

De nya materialen ledde också forskarna till en biologisk upptäckt. De tog astrocyter - celler i hjärnan och ryggmärgen associerade med neuroner - och placerade dem på de nya materialen. Astrocyter är viktiga eftersom när hjärnan eller ryggmärgen är skadad eller sjuk, de får en specifik form som kallas den "reaktiva fenotypen" och producerar ärr som är täta fibrösa nätverk. I den friska hjärnan, astrocyter har en "naiv fenotyp" och en annan form.

Intressant, när forskarna placerade astrocyter på materialet med bara enkla filament, astrocyterna hade en naiv fenotyp, men när överbyggnaderna bildades blev de reaktiva. They then reverted back to the naïve phenotype when the hierarchical structure disassembled. This discovery linked the architecture of the cell's microenvironment to these critical changes of phenotype in injury and disease of the central nervous system.

Biologists recently discovered that it was possible to revert these reactive astrocytes to their naïve state by transplanting them into healthy subjects who do not have injuries, but Stupp and his collaborators found the new material triggers these phenotype transformations in brain cells.

"The cell responded to the structure of the material in its environment, " Stupp said. "It gives us new ideas on how to undo the scars in injured or diseased brain and spinal cord."