Northwestern Engineering-forskare har utvecklat en teoretisk modell för att designa mjuka material som visar autonoma oscillerande egenskaper som efterliknar biologiska funktioner. Arbetet skulle kunna främja utformningen av lyhörda material som används för att leverera terapi samt för robotliknande mjuka material som fungerar autonomt.

Design och syntes av material med biologiska funktioner kräver en hårfin balans mellan strukturell form och fysiologisk funktion. Under embryonal utveckling, till exempel, platta ark av embryonala celler förvandlas genom en serie veck till invecklade tredimensionella strukturer som grenar, rör, och fåror. Dessa, i tur och ordning, bli dynamisk, tredimensionella byggstenar för organ som utför vitala funktioner som hjärtslag, absorption av näringsämnen, eller informationsbehandling av nervsystemet.

Sådana formbildande processer, dock, styrs av kemiska och mekaniska signalhändelser, som inte är helt förstådda på det mikroskopiska planet. För att överbrygga denna klyfta, forskare under ledning av Monica Olvera de la Cruz designade beräknings- och experimentsystem som efterliknar dessa biologiska interaktioner. Hydrogeler, en klass av hydrofila polymermaterial, har dykt upp som kandidater som kan reproducera formförändringar vid kemisk och mekanisk stimulering som observerats i naturen.

Forskarna utvecklade en teoretisk modell för ett hydrogelbaserat skal som genomgick autonoma morfologiska förändringar när de inducerades av kemiska reaktioner.

"Vi fann att kemikalierna modifierade den lokala gelmikromiljön, tillåter svällning och avsvällning av material via kemo-mekaniska spänningar på ett autonomt sätt, sa de la Cruz, Advokat Taylor Professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering. "Detta genererade dynamisk morfologisk förändring, inklusive periodiska svängningar som påminner om hjärtslag som finns i levande system."

Ett papper, med titeln "Kemiskt kontrollerad mönsterbildning i självoscillerande elastiska skal, " publicerades 1 mars i tidskriften PNAS . Siyu Li och Daniel Matoz-Fernandez, postdoktorer i Olvera de la Cruz labb, var tidningens första författare.

I studien, forskarna designade ett kemiskt känsligt polymerskal avsett att efterlikna levande materia. De tillämpade de vattenbaserade mekaniska egenskaperna hos hydrogelskalet på en kemisk art, en kemisk substans som producerar specifikt mönstrat beteende – i det här fallet, vågliknande svängningar – placerade i skalet. Efter att ha utfört en serie reduktionsoxidationsreaktioner - en kemisk reaktion som överför elektroner mellan två kemiska arter - genererade skalet mikrofack som kan expandera eller dra ihop sig, eller inducerar buckling-unbuckling-beteende när mekanisk instabilitet infördes.

"Vi kopplade det mekaniska svaret av hydrogelen till förändringar i koncentrationen av de kemiska arterna i gelén som en återkopplingsslinga, " Sa Matoz-Fernandez. "Om nivån av kemikalier går över en viss tröskel, vatten absorberas, svullna gelen. När gelén sväller, den kemiska arten späds ut, utlöser kemiska processer som driver ut gelens vatten, drar därför ihop gelen."

Forskarnas modell skulle kunna användas som grund för att utveckla andra mjuka material som visar olika, dynamiska morfologiska förändringar. Detta kan leda till nya strategier för läkemedelsleverans med material som ökar spridningshastigheten för fackindelade kemikalier eller frigör laster med specifika hastigheter.

"En kan, i princip, designa katalytiska mikrofack som expanderar och drar ihop sig för att absorbera eller frigöra komponenter vid en specifik frekvens. Detta kan leda till mer riktade, tidsbaserad terapi för att behandla sjukdom, " sa Li.

Arbetet kan också informera om den framtida utvecklingen av mjuka material med robotliknande funktionalitet som fungerar autonomt. Dessa "mjuka robotar" har dykt upp som kandidater för att stödja kemisk produktion, verktyg för miljöteknik, eller smarta biomaterial för medicin. Ändå är materialen beroende av yttre stimuli, som ljus, att fungera.

"Vårt material fungerar självständigt, så det finns ingen extern kontroll inblandad, " sa Li. "Genom att "peta" skalet med en kemisk reaktion, du utlöser rörelsen."

Forskarna planerar att bygga vidare på sina resultat och ytterligare överbrygga klyftan mellan vad som är möjligt i naturen och vetenskapslaboratoriet.

"Det långsiktiga målet är att skapa autonoma hydrogeler som kan utföra komplexa funktioner utlösta av så enkla ledtrådar som en lokal mekanisk deformation, " sa Olvera de la Cruz.