Människans skelettmuskler har en unik kombination av egenskaper som materialforskare söker för sina egna skapelser. De är starka, mjuk, full av vatten, och motståndskraftig mot trötthet. En ny studie av forskare från MIT har hittat ett sätt att ge syntetiska hydrogeler detta totala paket av egenskaper:att sätta dem genom ett kraftfullt träningspass.

Särskilt, forskarna tränade hydrogelerna mekaniskt genom att sträcka dem i ett vattenbad. Och precis som med skelettmuskler, reps på "gym" gav resultat. Träningen anpassade nanofibrerna inuti hydrogelerna för att producera en stark, mjuk, och återfuktat material som motstår sammanbrott eller trötthet under tusentals repetitiva rörelser.

Polyvinylalkohol (PVA) hydrogeler som utbildats i experimentet är välkända biomaterial som forskare använder för medicinska implantat, läkemedelsbeläggningar, och andra applikationer, säger Xuanhe Zhao, docent i maskinteknik vid MIT. "Men en med dessa fyra viktiga egenskaper har inte designats eller tillverkats förrän nu."

I deras papper, publiceras denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences , Zhao och hans kollegor beskriver hur hydrogelerna också kan 3-D-printas till en mängd olika former som kan tränas för att utveckla serien av muskelliknande egenskaper.

I framtiden, materialen kan användas i implantat som "hjärtklaffar, broskbyten, och ryggradsskivor, såväl som i tekniska applikationer som mjuka robotar, " säger Zhao.

Andra MIT-författare på tidningen inkluderar doktoranden Shaoting Lin, postdoc Ji Liu, och doktorand Xunyue Liu i Zhaos labb.

Träning för styrka med mera

Utmärkt bärande naturliga vävnader som muskler och hjärtklaffar är en bioinspiration för materialforskare, men det har varit mycket utmanande att designa material som fångar alla deras egenskaper samtidigt, säger Zhao.

Till exempel, man kan designa en hydrogel med högt uppriktade fibrer för att ge den styrka, men den kanske inte är lika flexibel som en muskel, eller så kanske den inte har den vattenhalt som gör den kompatibel för användning på människor. "De flesta vävnader i människokroppen innehåller cirka 70 procent vatten, så om vi vill implantera ett biomaterial i kroppen, en högre vattenhalt är mer önskvärt för många applikationer i kroppen, " förklarar Zhao.

Upptäckten att mekanisk träning kunde producera en muskelliknande hydrogel var något av en olycka, säger Lin, huvudförfattaren till PNAS-studien. Forskargruppen hade utfört cykliska mekaniska belastningstester på hydrogelerna, försöker hitta utmattningspunkten där hydrogelerna skulle börja brytas ner. De blev istället förvånade när de upptäckte att den cykliska träningen faktiskt stärkte hydrogelerna.

"Fenomenet förstärkning i hydrogeler efter cyklisk laddning är motsatt till den nuvarande förståelsen om trötthetsfraktur i hydrogeler, men delar likheten med mekanismen för muskelförstärkning efter träning, säger Lin.

Innan träning, nanofibrerna som utgör hydrogelen är slumpmässigt orienterade. "Under utbildningsprocessen, vad vi insåg är att vi anpassade nanofibrerna, säger Lin, tillägger att inriktningen liknar det som händer med en mänsklig muskel under upprepad träning. Denna träning gjorde hydrogelerna starkare och utmattningsbeständiga. Kombinationen av de fyra nyckelegenskaperna dök upp efter cirka 1, 000 stretchcykler, men några av hydrogelerna sträcktes över 30, 000 cykler utan att gå sönder. Draghållfastheten hos den tränade hydrogelen, i riktning av de inriktade fibrerna, ökade med cirka 4,3 gånger jämfört med den osträckta hydrogelen.

På samma gång, hydrogelen visade mjuk flexibilitet, och bibehöll en hög vattenhalt på 84 procent, fann forskarna.

Antitrötthetsfaktorn

Forskarna vände sig till konfokalmikroskopi för att ta en närmare titt på de tränade hydrogelerna, för att se om de kunde upptäcka orsakerna bakom deras imponerande anti-utmattningsegenskap. "Vi tar dessa genom tusentals cykler av belastning, så varför misslyckas det inte?", säger Lin. "Vad vi gjorde var att göra ett snitt vinkelrätt mot dessa nanofibrer och försökte sprida en spricka eller skada i det här materialet."

"Vi färgade fibrerna under mikroskopet för att se hur de deformerades som ett resultat av skärningen, [och fann att] ett fenomen som kallas spricknål var ansvarigt för trötthetsmotstånd, " säger Ji.

"I en amorf hydrogel, där polymerkedjorna är slumpmässigt inriktade, det tar inte för mycket energi för skada att spridas genom gelén, ", tillägger Lin. "Men i de inriktade fibrerna i hydrogelen, en spricka vinkelrätt mot fibrerna "fästs" på plats och förhindras att förlängas eftersom det tar mycket mer energi att bryta igenom de inriktade fibrerna en efter en. "

Faktiskt, de tränade hydrogelerna bryter en berömd trötthetströskel, förutspått av Lake-Thomas teorin, som föreslår den energi som krävs för att bryta ett enda lager av amorfa polymerkedjor, såsom de som utgör PVA-hydrogeler. De tränade hydrogelerna är 10 till 100 gånger mer utmattningsbeständiga än vad som förutspås av teorin, Zhao och hans kollegor avslutade.