Forskare som försöker utveckla självläkande hydrogeler har länge försökt efterlikna musslornas naturliga förmåga att generera starka, flexibla trådar under vattnet som gör att musslorna fastnar på stenar.

Den naturliga processen som ger dessa musseltrådar, som kallas byssal, förmågan att bryta isär och omformas är en rent kemisk process, inte en biologisk, MIT -doktorand Seth Cazzell noterade i en presentation till Materials Research Society höstmöte i Boston den 5 december.

Det kritiska steget i processen är den kemiska bindningen av polymerkedjor till en metallatom (en protein-till-metall-bindning i fallet med musslan). Dessa länkar kallas tvärbundna metallkoordinationsbindningar. Deras största styrka uppstår när varje metallatom binder till tre polymerkedjor, och de bildar ett nätverk som resulterar i en stark hydrogel.

I en nyligen publicerad PNAS papper, Cazzell och docent i materialvetenskap och teknik Niels Holten-Andersen demonstrerade en metod för att skapa en självläkande hydrogel i ett större antal metallkoncentrationer genom användning av konkurrens som styrs av pH, eller surhet och alkalinitet, av miljön. Cazzell är en tidigare National Defense Science and Engineering Graduate Fellow.

I deras modellberäkningssystem, Cazzell visade att i avsaknad av pH-kontrollerad konkurrens, överflödig metall - vanligtvis järn, aluminium, eller nickel – överväldigar polymerens förmåga att bilda starka tvärbindningar. I närvaro av för mycket metall, polymererna kommer att binda enskilt till metallatomer istället för att bilda tvärbundna komplex, och materialet förblir en vätska.

En vanligt studerad musselinspirerad metallkoordinerande ligand är katekol. I den här studien, en modifierad katekol, nitrokatekol, var fäst till polyetylenglykol. Genom att studera nitrocatecholsystemet som är koordinerat med järn, samt en andra modell av hydrogelsystem (histidin koordinerat med nickel), Cazzell bekräftade experimentellt att bildningen av starka tvärbindningar kunde induceras under överskott av metallkoncentrationer, stödja deras beräkningsbevis för hydroxidjonernas (konkurrenskraftiga) roll (negativt laddade väte-syre-par), som fungerar som en konkurrent till polymeren för bindning till metall.

I dessa lösningar, polymerer kan binda till metallatomer i sådana, tvåor, eller treor. När fler metallatomer binder till hydroxidjonerna, det finns färre metallatomer tillgängliga för att binda till polymeratomer, vilket ökar sannolikheten för att polymeratomerna binder till metallatomerna i starka trippeltvärbindningar som ger den önskade kittliknande gelen.

"Det vi verkligen gillar med den här studien är att vi inte tittar på biologi direkt, men vi tror att det ger oss bra bevis på något som kan hända inom biologin. Så det är ett exempel på materialvetenskap som informerar vad vi tror att organismen faktiskt använder för att bygga dessa material, "Säger Cazzell.

I simuleringar, Cazzell plottade effekten av hydroxidkonkurrenten på stark hydrogelbildning och fann att när konkurrentens styrka ökar, "vi kan gå in i ett område där vi kan bilda en gel nästan var som helst." Men, han säger, "Till slut blir konkurrenten för stark, och du förlorar förmågan att överhuvudtaget bilda en gel."

Dessa resultat har potential för användning vid avancerad 3D-utskrift av syntetiska vävnader och andra biomedicinska tillämpningar.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.