Nye bio-inspirerede dynamiske materialer forvandler sig selv

Forskere har søgt efter måder at udvikle materialer, der er lige så dynamiske som levende ting, med evnen til at ændre form, flytte og ændre egenskaber reversibelt.

Nu, med naturen som inspiration, Forskere fra Northwestern University har udviklet bløde materialer, der selvstændigt samler sig selv til molekylære overbygninger og skiller sig bemærkelsesværdigt ad efter behov, at ændre materialernes egenskaber og åbne døren for nye materialer i applikationer lige fra sensorer og robotteknologi til nye lægemiddelleveringssystemer og værktøjer til vævsregenerering.

De meget dynamiske nye materialer danner hydrogeler og har også givet uventede biologiske spor om hjernens mikromiljø efter skade eller sygdom, når deres overbygninger afslørede reversible fænotyper i hjerneceller, der er karakteristiske for skadet eller sundt hjernevæv.

"Vi er vant til at tænke på materialer som havende et statisk sæt af egenskaber, sagde Samuel I. Stupp, medkorresponderende forfatter til papiret. "Vi har demonstreret, at vi kan skabe meget dynamiske syntetiske materialer, der kan transformere sig selv ved at danne overbygninger og kan gøre det reversibelt efter behov, hvilket er et reelt gennembrud med dybe implikationer."

Resultaterne er rapporteret i dag (4. oktober) i tidsskriftet Videnskab . Stupp er direktør for Northwesterns Simpson Querrey Institute og er bestyrelsesprofessor i Materials Science and Engineering, Kemi, Medicin og biomedicinsk teknik. Erik Luijten, Professor og formand for materialevidenskab og ingeniør- og ingeniørvidenskab og anvendt matematik, er medkorresponderende forfatter.

For at skabe materialet, Stupp og hans postdoc-stipendiat Ronit Freeman, nu lektor ved University of North Carolina, Chapel Hill, udviklet nogle molekyler sammensat af peptider (forbindelser af aminosyrer) og andre sammensat af peptider og DNA. Når de placeres sammen, disse to typer molekyler samles sammen for at danne vandopløselige nanoskala filamenter.

Når filamenter indeholdende komplementære DNA-sekvenser, der kunne danne dobbeltspiraler, blev blandet, de DNA-holdige molekyler designet til at skabe dobbeltspiraler "sprang ud" af deres filamenter for at organisere de unikke komplekse overbygninger, efterlader molekylerne uden DNA for at danne simple filamenter.

DNA-overbygningerne, indeholdende millioner af molekyler, lignede snoede bundter af filamenter, der nåede dimensioner i størrelsesordenen mikron i både længde og bredde. Det resulterende materiale var oprindeligt en blød hydrogel, som blev mekanisk stivere efterhånden som overbygningerne blev dannet. Strukturerne var hierarkiske - hvilket betyder, at de indeholdt ordnede strukturer i forskellige størrelsesskalaer. Naturen gør dette meget godt - knogler, muskler og træ er hierarkiske materialer - men sådanne strukturer har været meget vanskelige at opnå i syntetiske materialer.

Endnu bedre, fandt forskerne ud af, at når de tilføjede et simpelt DNA-molekyle, der kunne forstyrre de dobbelte helixer, der forbinder filamenter i overbygningerne, bundterne blev løsnet, og materialet vendte tilbage til sin enkle oprindelige struktur og blødere tilstand. En anden type molekyle kunne derefter bruges til at reformere de stivere materialer, der indeholder overbygninger. Den slags reversibilitet var aldrig før blevet opnået.

For bedre at forstå, hvordan denne proces fungerede, Stupp forbundet med Luijten, en computermaterialeforsker. Luijten, med sin kandidatstuderende Ming Han, udviklet simuleringer, der hjalp med at forklare mekanikken bag, hvordan og hvorfor bundterne blev dannet og snoet. I sådanne simuleringer, Han og Luijten kunne undersøge, hvordan hver del af de designede molekyler kunne styre skabelsen af ​​overbygningerne. Efter omfattende beregninger – hver beregning tog uger på Northwesterns Quest-supercomputer – fandt de ud af, at molekylerne ikke behøvede DNA for at bundte sig sammen, men i princippet kunne dannes af mange andre molekylepar med kemiske strukturer, der interagerer stærkt med hinanden.

"Baseret på vores forståelse af mekanismen, vi forudsagde, at kun positive og negative ladninger på overfladen af ​​filamenterne ville være tilstrækkelige, " sagde Luijten. Det betød, at sådanne overbygninger kunne skabes uden tilstedeværelse af DNA, i et helt syntetisk materiale.

Stupp og hans laboratoriemedlemmer skabte derefter det samme materiale ved kun at bruge peptider i stedet for DNA. Da forskerne brugte peptider med modsatte ladninger i en specifik arkitektur, der efterligner DNA-komplementaritet, de fandt ud af, at de selv samlede sig til overbygninger, der også var reversible, når ladningerne blev neutraliseret.

De potentielle anvendelser for disse materialer udvides til medicin og videre. En kompleks terapi med proteiner, antistoffer, lægemidler selv gener kunne lagres i overbygningerne og frigives i kroppen efter behov, efterhånden som de hierarkiske strukturer forsvinder. Scientists could also search for new materials in which the reversible superstructures lead to changes in electronic, optical or mechanical properties, or even color and light emission, Stupp said.

"Now that we know this is possible, other scientists can use their imagination and design new molecules in search of these new 'dynamic' materials that reorganize internally on demand to change properties, " han sagde.

The new materials also led the researchers to a biological discovery. They took astrocytes—cells in the brain and spinal cord associated with neurons—and placed them on the new materials. Astrocytes are important because when the brain or the spinal cord are injured or diseased, they acquire a specific shape known as the "reactive phenotype" and produce scars that are dense fibrous networks. In the healthy brain, astrocytes have a "naïve phenotype" and a different shape.

Interessant nok, when the researchers placed astrocytes on the material with only simple filaments, the astrocytes had a naïve phenotype, but when the superstructures formed they became reactive. They then reverted back to the naïve phenotype when the hierarchical structure disassembled. This discovery linked the architecture of the cell's microenvironment to these critical changes of phenotype in injury and disease of the central nervous system.

Biologists recently discovered that it was possible to revert these reactive astrocytes to their naïve state by transplanting them into healthy subjects who do not have injuries, but Stupp and his collaborators found the new material triggers these phenotype transformations in brain cells.

"The cell responded to the structure of the material in its environment, " Stupp said. "It gives us new ideas on how to undo the scars in injured or diseased brain and spinal cord."