UCLA materialforskare och deras kollegor har utvecklat en ny metod för att göra syntetiska biomaterial som efterliknar den inre strukturen, stretchighet, styrka och hållbarhet hos senor och andra biologiska vävnader.

Forskarna utvecklade en tvådelad process för att öka styrkan hos befintliga hydrogeler som kan användas för att skapa konstgjorda senor, ligament, brosk som är 10 gånger tuffare än de naturliga vävnaderna. Även om hydrogelerna mest innehåller vatten med lite fast innehåll (cirka 10 % polymer), de är mer hållbara än Kevlar och gummi, som båda är 100% polymer. Den här typen av genombrott har aldrig uppnåtts i vattenfyllda polymerer förrän denna studie, som nyligen publicerades i Natur . De nya hydrogelerna kan också ge beläggning för implanterade eller bärbara medicinska apparater för att förbättra deras passform, komfort och långsiktig prestanda.

"Detta arbete visar en mycket lovande väg mot artificiella biomaterial som är i nivå med, om inte starkare än, naturliga biologiska vävnader, " sa studieledaren Ximin He, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid UCLA Samueli School of Engineering.

Hydrogels är en bred klass av material med inre strukturer som består av kryssande polymerer eller geler. De visar lovande för användning som ersättningsvävnader, antingen för att tillfälligt stänga sår eller som en långsiktig eller till och med permanent lösning. Dessutom, gelerna kan ha applikationer för mjuka robotar och bärbar elektronik.

Dock, nuvarande hydrogeler är inte starka eller hållbara nog för att efterlikna eller ersätta vävnader som måste röra sig och böjas upprepade gånger medan de bär vikt. För att ta itu med dessa problem, det UCLA-ledda teamet använde en kombination av molekylära och strukturella metoder som inte tidigare använts tillsammans för att göra hydrogeler.

Först, forskarna använde en metod som kallas "frysgjutning" - en stelningsprocess som resulterar i porösa och koncentrerade polymerer, liknar en svamp. Andra, de använde en "utsaltning"-behandling för att aggregera och kristallisera polymerkedjor till starka fibriller. De resulterande nya hydrogelerna har en serie sammanbindande strukturer över flera olika skalor - från molekylära nivåer upp till några millimeter. Hierarkin av dessa flera strukturer, liknande den för biologiska motsvarigheter, gör att materialet blir starkare och mer töjbart.

Som teamet visade, denna mångsidiga metod är mycket anpassningsbar och kan replikera olika mjuka vävnader i människokroppen.

Forskarna använde polyvinylalkohol, ett material som redan är godkänt av U.S. Food and Drug Administration, att göra deras hydrogelprototyp. De testade dess hållbarhet, ser inga tecken på försämring efter 30, 000 cykler av sträcktestning. Under ljus, den nya hydrogelen gav ett levande skimmer, liknar riktiga senor, bekräftar mikro/nano-strukturerna som bildades i gelén.

Förutom biomedicinska tillämpningar, framstegen kan ha potential för kirurgiska maskiner eller bioelektronik som arbetar med otaliga cykler, och 3D-utskrift av tidigare ouppnåeliga konfigurationer, tack vare hydrogelens flexibilitet. Faktiskt, teamet visade att sådana 3-D-tryckta hydrogelarkitekturer kunde förvandlas till andra former i väntan på temperaturförändringar, surhet eller fuktighet. Fungerar som konstgjorda muskler, de är mycket mer motståndskraftiga och skulle kunna utöva stor kraft.