Selvvoksende materialer, der styrker som reaktion på kraft

En strategi inspireret af den proces, der er ansvarlig for muskelvækst, kan føre til udvikling af stærkere, længere holdbare materialer.

Forskere fra Hokkaido University har udviklet en strategi til at fremstille materialer, der bliver stærkere som reaktion på mekanisk stress - der efterligner skeletmuskelvækst. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , kunne bane vejen for langtidsholdbare materialer, der kan tilpasse sig og styrke ud fra de omgivende forhold.

Strategien var inspireret af den proces, der får menneskelige skeletmuskler til at blive stærkere. Som et resultat af styrketræning i fitnesscenteret, for eksempel, muskelfibre nedbrydes, tilskynde til dannelsen af ​​nye, stærkere fibre. For at dette kan ske, musklerne skal tilføres aminosyrer, byggestenene i proteiner, som går sammen og danner muskelfibre.

Hokkaido Universitets Jian Ping Gong har specialiseret sig i polymervidenskab. Hendes forskerhold udviklede en strategi, der anvender "dobbeltnetværkshydrogeler", der emulerer opbygningsprocessen af ​​skeletmuskler.

Dobbeltnetværkshydrogeler er en blød, alligevel sejt materiale dannet af omkring 85 vægtprocent vand og to typer polymernetværk:et stift og skørt, og den anden blød og strækbar.

Holdet placerede en dobbeltnetværkshydrogel i en opløsning indeholdende molekyler, kaldet monomerer, som kan sammenføjes for at danne større forbindelser kaldet polymerer. Denne opløsning emulerer rollen som cirkulerende blod, der transporterer aminosyrer til skeletmuskulaturen.

Påføring af trækkraft (strækning) på hydrogelen får nogle af dens stive og sprøde polymerkæder til at knække. Dette fører til dannelsen af ​​en kemisk art kaldet 'mekanoradikaler' i enderne af de knækkede polymerkæder. Disse mekanoradikale kan udløse sammenføjningen af ​​monomeren absorberet i hydrogelen fra den omgivende opløsning til et polymernetværk, styrkelse af materialet.

Med successiv strækning, der sker mere nedbrydning og opbygning, svarende til, hvad der sker med skeletmuskler, der gennemgår styrketræning. Gennem denne proces, hydrogelens styrke og stivhed forbedredes henholdsvis 1,5 og 23 gange, og vægten af ​​polymererne steg med 86%. Holdet var yderligere i stand til at skræddersy materialets reaktion på mekanisk kraft ved at bruge en specifik monomer, der ændrede gelens reaktion på varme; opvarmes ved høje temperaturer, gelens overflade blev mere vandafvisende.

Forskerne siger, at deres arbejde kunne hjælpe med udviklingen af ​​selvvoksende gelmaterialer til anvendelse som fleksible eksosdragter til patienter med skeletskader; disse dragter ville potentielt blive stærkere og mere funktionelle, jo mere de bliver brugt. Professor Gong forklarede "Da mange typer DN-geler har lignende mekaniske egenskaber, denne proces kan anvendes på en bred vifte af geler, udvide rækken af ​​potentielle applikationer."