En dubbelnätshydrogel (i). Efter stretching (ii), sköra delar går sönder, tillåter en generation av mekanoradikaler, indikeras av färgändring (iii). Kredit:Gong J.P. et al., Mekanoresponsiva självväxande hydrogeler inspirerade av muskelträning, Vetenskap , 1 februari, 2019
En strategi inspirerad av processen som ansvarar för muskeltillväxt kan leda till utvecklingen av starkare, material som håller längre.
Forskare från Hokkaido University har utvecklat en strategi för att tillverka material som blir starkare som svar på mekanisk stress - som efterliknar skelettmuskeltillväxt. Deras resultat, publiceras i tidskriften Vetenskap , skulle kunna bana väg för långvariga material som kan anpassas och förstärkas utifrån omgivande förhållanden.
Strategin var inspirerad av processen som gör att mänskliga skelettmuskler blir starkare. Som ett resultat av styrketräning på gymmet, till exempel, muskelfibrer bryts ner, uppmuntra bildandet av nya, starkare fibrer. För att detta ska hända, musklerna måste förses med aminosyror, byggstenarna i proteiner, som går samman och bildar muskelfibrer.
Hokkaido Universitys Jian Ping Gong är specialiserad på polymervetenskap. Hennes forskargrupp utvecklade en strategi som använder "dubbelnätverkshydrogeler" som emulerar uppbyggnadsprocessen av skelettmuskler.
Hydrogeler med dubbla nätverk är en mjuk, men ändå segt material bildat av cirka 85 viktprocent vatten och två typer av polymernätverk:ett styvt och sprött, och den andra mjuk och töjbar.
Teamet placerade en hydrogel med dubbelt nätverk inuti en lösning som innehöll molekyler, kallas monomerer, som kan sammanfogas för att bilda större föreningar som kallas polymerer. Denna lösning efterliknar rollen av att cirkulera blod som transporterar aminosyror till skelettmusklerna.
Användning av dragkraft (sträckning) på hydrogelen gör att några av dess stela och spröda polymerkedjor går sönder. Detta leder till generering av en kemisk art som kallas "mekanoradikaler" i ändarna av de brutna polymerkedjorna. Dessa mekanoradikaler kan utlösa sammanfogningen av monomeren som absorberas i hydrogelen från den omgivande lösningen till ett polymernätverk, förstärkning av materialet.
Med successiv stretching, mer nedbrytning och uppbyggnad sker, liknande det som händer med skelettmuskler som genomgår styrketräning. Genom denna process, hydrogelens styrka och styvhet förbättrades 1,5 respektive 23 gånger, och vikten av polymererna ökade med 86%. Teamet kunde vidare skräddarsy materialets svar på mekanisk kraft genom att använda en specifik monomer som förändrade gelens reaktion på värme; upphettas vid höga temperaturer, gelens yta blev mer vattentålig.
Den här bilden visar processen där hydrogeler med dubbla nätverk sträcktes, leder till förstärkning av materialet. Kredit:Gong J.P. et al., Mekanoresponsiva självväxande hydrogeler inspirerade av muskelträning, Vetenskap , 1 februari, 2019
Forskarna säger att deras arbete kan hjälpa till med utvecklingen av självväxande gelmaterial för tillämpningar som flexibla exosuiter för patienter med skelettskador; dessa dräkter skulle potentiellt bli starkare och mer funktionella ju mer de används. Professor Gong förklarade "Eftersom många typer av DN-geler har liknande mekaniska egenskaper, denna process kan tillämpas på ett brett utbud av geler, utöka utbudet av potentiella applikationer."
