(Phys.org) —När ett stolsbenet går sönder eller en mobiltelefon splittras, antingen måste repareras eller bytas ut. Men tänk om dessa material kunde programmeras för att regenerera sig själva, fylla på skadade eller saknade komponenter, och därmed förlänga deras livslängd och minska behovet av kostsamma reparationer?

Den potentialen är nu möjlig enligt forskare vid University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, som har utvecklat beräkningsmodeller för att designa en ny polymergel som skulle göra det möjligt för komplexa material att regenerera sig själva. Artikeln, "Använda gränssnittsaktiva nanorods för att regenerera avskurna polymergeler", publicerades den 19 november i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

Huvudutredare är Anna C. Balazs, PhD, Swanson School's Distinguished Robert v. d. Luft professor i kemi- och petroleumteknik, och medförfattare är Xin Yong, PhD, postdoktorand, vem är artikelns huvudförfattare; Olga Kuksenok, PhD, forskningsdocent; och Krzysztof Matyjaszewski, PhD, J.C. Warner University professor i naturvetenskap, avdelningen för kemi vid Carnegie Mellon University.

"Detta är en av materialvetenskapens heliga graler, ", noterade Dr Balazs. "Medan andra har utvecklat material som kan laga små defekter, det finns ingen publicerad forskning om system som kan regenerera bulkdelar av ett avskuret material. Detta har en enorm inverkan på hållbarheten eftersom du potentiellt skulle kunna förlänga livslängden för ett material genom att ge det möjligheten att växa igen när det skadas."

Forskargruppen inspirerades av biologiska processer hos arter som groddjur, som kan regenerera avskurna lemmar. Denna typ av vävnadsregenerering styrs av tre kritiska instruktionsuppsättningar – initiering, fortplantning, och uppsägning – som Dr Balazs beskriver som en "vacker dynamisk kaskad" av biologiska händelser.

"När vi tittade på de biologiska processerna bakom vävnadsregenerering hos amfibier, vi funderade på hur vi skulle replikera den dynamiska kaskaden i ett syntetiskt material, "Dr. Balazs sa. "Vi behövde utveckla ett system som först skulle känna av avlägsnandet av material och initiera återväxt, sprid sedan den tillväxten tills materialet nått önskad storlek och sedan, själv avsluta processen."

"Vår största utmaning var att ta itu med transportproblemet i ett syntetiskt material, "Dr. Balazs sa. "Biologiska organismer har cirkulationssystem för att uppnå masstransport av material som blodkroppar, näringsämnen och genetiskt material. Syntetiska material har inte i sig ett sådant system, så vi behövde något som fungerade som en sensor för att initiera och kontrollera processen."

Teamet utvecklade ett hybridmaterial av nanorods inbäddade i en polymergel, som är omgiven av en lösning som innehåller monomerer och tvärbindare (molekyler som länkar en polymerkedja till en annan) för att replikera den dynamiska kaskaden. När en del av gelén skärs av, nanoroderna nära snittet fungerar som sensorer och migrerar till det nya gränssnittet. De funktionaliserade kedjorna eller "kjolarna" på ena änden av dessa nanorods håller dem lokaliserade vid gränssnittet och platserna (eller "initiatorerna") längs stavens yta utlöser en polymerisationsreaktion med monomeren och tvärbindare i den yttre lösningen. Drs. Yong och Kuksenok utvecklade beräkningsmodellerna, och därigenom etablerade riktlinjer för att kontrollera processen så att den nya gelén beter sig och ser ut som den gel som den ersatte, och att avsluta reaktionen så att materialet inte skulle växa utom kontroll.

Drs. Balazs, Kuksenok och Yong krediterar också Krzysztof Matyjaszewski, som bidrog till förståelsen av kemin bakom polymerisationsprocessen. "Vårt samarbete med Prof. Matyjaszewski var utomordentligt värdefullt för att vi kunde redogöra för alla de komplexa kemiska reaktionerna som är involverade i regenereringsprocesserna", säger Dr. Kuksenok.

"Den vackraste men ändå utmanande delen var att designa nanoroderna för att tjäna flera roller, " sa Dr Yong. "I själva verket, de ger det perfekta fordonet för att utlösa en syntetisk dynamisk kaskad." Nanoroderna är ungefär tio nanometer i tjocklek, ca 10, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår.

I framtiden, forskarna planerar att förbättra processen och stärka banden mellan de gamla och nybildade gelerna, och för detta inspirerades de av en annan naturmetafor, det gigantiska sequoiaträdet. "Ett sequoiaträd kommer att ha ett grunt rotsystem, men när de växer i antal, rotsystemen flätas samman för att ge stöd och bidra till deras enorma tillväxt, " förklarar Dr Balazs. På samma sätt, kjolarna på nanoroderna kan ge ytterligare styrka till det regenererade materialet.

Nästa generations forskning skulle ytterligare optimera processen för att växa flera lager, skapa mer komplexa material med flera funktioner.