Precis som läkemedel med kontrollerad frisättning långsamt delar ut sin last efter att de upplever en pH-förändring i kroppen, implanterade "konstgjorda muskler" kan en dag flexa och slappna av som svar på ljus som lyser upp huden. I pilotstudier, forskare har utvecklat ett nytt material som expanderar och drar ihop sig, lyfta en vikt bara genom att lysa på den.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

"Vi har utvecklat en ny polymer som har en ny mekanism för att aktivera material - vilket gör att material krymper, expandera eller hålla ett "minne" av en viss form – allt med en enkel stimulans, säger Jonathan Barnes, Ph.D.

Stimuli-responsiva material har använts i många olika branscher hittills. Till exempel, några av dem ändrar färg och används som vindrutebeläggningar för att omedelbart skugga förare i bländande sol. Andra material kan formas till kärl som reagerar på förändringar i näringskoncentrationer och matar jordbruksgrödor efter behov. Ytterligare andra tillämpningar finns inom det biomedicinska området.

Barnes och hans team vid Washington University i St. Louis (WUSTL) kör sin nya polymer genom dess takter för att avgöra vad den är särskilt lämpad för. Men huvudmålet har varit att se om materialet kan fungera, en egenskap som skulle kunna underlätta utvecklingen av en konstgjord muskel.

Under forskarskolan, Barnes studerade en grupp molekyler, känd som viologer, som ändrar färg med addition och subtraktion av elektroner. Barnes misstänkte att om dessa molekyler var sammanlänkade, de skulle vikas som ett dragspel eftersom områden som accepterar en enskild elektron känner igen varandra. Han undrade också om verkan av vikningsmolekylerna kunde få ett 3D-nätverk att röra sig, och om han kunde göra processen reversibel.

För att ta itu med dessa problem, Barnes team vid WUSTL syntetiserade polymerkedjor med viologer i ryggraden. När ett blått LED-ljus lyste på molekylerna, de veks till veck med hjälp av välkända fotoredox-katalysatorer som kan överföra elektroner till viologenerna. Forskarna införlivade sedan polymererna i en flexibel, vattenlöslig 3-D hydrogel. När laget lyste på gelen, dragspelseffekten som inträffade i molekylen drog in gelén i sig själv, vilket får materialet att skrumpna till en tiondel av sin ursprungliga storlek. När ljuset släcktes, materialet expanderade. När den polymerinbäddade hydrogelen ändrade form, den ändrade också färg.

"Det fina med vårt system är att vi kan ta lite av vår polymer, kallas en polyviologen, och placera den i alla typer av 3D-nätverk, förvandla det till ett stimuli-känsligt material, " säger Barnes. Mindre än en procent av vikten av hydrogelen behöver innehålla polyviologen för att få ett svar. Så polymeren påverkar inte de andra egenskaperna hos materialet som den finns i.

För att ta reda på om materialet kan fungera, gruppen fäste gelén på en remsa elektrisk tejp med en bit tråd i änden. De hängde upp en liten vikt från tråden och hängde hydrogelen framför ett blått ljus. Gelén lyfte vikten - som var ungefär 30 gånger massan av det inbäddade polyviologenet - och efter fem timmar, den steg flera centimeter.

Gruppen har nu gjort andra justeringar, inklusive att göra gelerna starkare och mer elastiska, och få dem att röra sig snabbare. Och forskarna har utvecklat polymerer som svarar på flera stimuli samtidigt. De har också konstruerade geler som svarar på ljus vid olika våglängder. Material som reagerar på rött eller nära infrarött ljus, som kan penetrera mänsklig vävnad, kan användas i biomedicinska tillämpningar, såsom läkemedelsleveransanordningar eller, så småningom, som konstgjorda muskler.

Barnes säger att hans grupp bara har börjat testa gränserna för dessa nya material. För närvarande, teamet studerar de självläkande egenskaperna hos polyviologen-inbäddade hydrogeler, och de undersöker möjligheten att 3-D-printa polymererna i olika typer av material.