Muskellignende materiale udvider sig og trækker sig sammen som reaktion på lys

Ligesom medicin med kontrolleret frigivelse langsomt uddeler deres last, efter at de oplever en pH-ændring i kroppen, implanterede "kunstige muskler" kunne en dag bøje og slappe af som reaktion på lys, der oplyser huden. I pilotundersøgelser, videnskabsmænd har udviklet et nyt materiale, der udvider og trækker sig sammen, løfte en vægt blot ved at skinne lys på den.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) National Meeting &Exposition foråret 2019.

"Vi har udviklet en ny polymer, der har en ny mekanisme til at aktivere materialer - hvilket får materialer til at krympe, udvide eller holde en 'hukommelse' af en bestemt form – alt sammen med en simpel stimulus, " siger Jonathan Barnes, Ph.D.

Stimuli-responsive materialer er blevet anvendt i mange forskellige industrier til dato. For eksempel, nogle af dem skifter farve og bruges som forrudebelægninger til øjeblikkeligt at skygge for bilister i blændende sol. Andre materialer kan formes til beholdere, der reagerer på ændringer i næringsstofkoncentrationer og fodrer landbrugsafgrøder efter behov. Endnu andre applikationer er inden for det biomedicinske område.

Barnes og hans team ved Washington University i St. Louis (WUSTL) kører deres nye polymer igennem dens hastigheder for at finde ud af, hvad den er særligt egnet til. Men hovedmålet har været at se, om materialet kan virke, en egenskab, der kunne lette udviklingen af ​​en kunstig muskel.

Under efterskole, Barnes studerede en gruppe molekyler, kendt som viologer, der ændrer farve ved addition og subtraktion af elektroner. Barnes havde mistanke om, at hvis disse molekyler var knyttet sammen, de ville folde sig som en harmonika, fordi områder, der accepterer en enkelt elektron, genkender hinanden. Han spekulerede også på, om foldningsmolekylernes handling kunne få et 3-D-netværk til at bevæge sig, og om han kunne gøre processen reversibel.

For at løse disse problemer, Barnes' team hos WUSTL syntetiserede polymerkæder med viologer i deres rygrad. Når et blåt LED-lys blev lyst på molekylerne, de blev foldet til folder ved hjælp af velkendte fotoredox-katalysatorer, der kan overføre elektroner til viologerne. Forskerne inkorporerede derefter polymererne i en fleksibel, vandopløselig 3-D hydrogel. Da holdet lyste på gelen, harmonikaeffekten, der opstod i molekylet, trak gelen ind i sig selv, hvilket får materialet til at skrumpe til en tiendedel af dets oprindelige størrelse. Da lyset blev slukket, materialet udvidet. Da den polymerindlejrede hydrogel ændrede form, den skiftede også farve.

"Det skønne ved vores system er, at vi kan tage en lille smule af vores polymer, kaldet et polyviologen, og sæt det i enhver form for 3-D netværk, at gøre det til et stimuli-responsivt materiale, " siger Barnes. Mindre end én procent af vægten af ​​hydrogelen skal indeholde polyviologen for at få et svar. Så polymeren pålægger ikke en væsentlig effekt på de andre egenskaber af materialet, som den er indeholdt i.

For at finde ud af, om materialet kunne virke, gruppen fastgjorde gelen til en stribe elektrisk tape med et stykke ledning for enden. De suspenderede en lille vægt fra wiren og hængte hydrogelen foran et blåt lys. Gelen løftede vægten - som var omkring 30 gange massen af ​​det indlejrede polyviologen - og efter fem timer, den steg flere centimeter.

Gruppen har nu lavet andre justeringer, herunder at gøre gelerne stærkere og mere elastiske, og få dem til at bevæge sig hurtigere. Og forskerne har udviklet polymerer, der reagerer på flere stimuli på én gang. De har også konstrueret geler, der reagerer på lys ved forskellige bølgelængder. Materialer, der reagerer på rødt eller nær-infrarødt lys, som kan trænge ind i menneskeligt væv, kan bruges i biomedicinske applikationer, såsom medicinudleveringsanordninger eller, til sidst, som kunstige muskler.

Barnes siger, at hans gruppe kun er begyndt at teste grænserne for disse nye materialer. I øjeblikket, holdet studerer de selvhelbredende egenskaber af polyviologen-indlejrede hydrogeler, og de undersøger muligheden for at 3-D printe polymererne i forskellige typer materialer.