At træne får hydrogeler til at fungere mere som muskler

Menneskelige skeletmuskler har en unik kombination af egenskaber, som materialeforskere søger efter deres egne kreationer. De er stærke, blød, fuld af vand, og modstandsdygtig over for træthed. En ny undersøgelse af MIT -forskere har fundet en måde at give syntetiske hydrogeler denne samlede pakke med egenskaber:at sætte dem igennem en intens træning.

I særdeleshed, forskerne trænede mekanisk hydrogelerne ved at strække dem i et vandbad. Og ligesom med skeletmuskler, reps på "gymnastiksalen" gav pote. Træningen justerede nanofibre inde i hydrogelerne for at producere en stærk, blød, og hydreret materiale, der modstår nedbrydning eller træthed over tusindvis af gentagne bevægelser.

Polyvinylalkohol (PVA) hydrogelerne, der er uddannet i forsøget, er velkendte biomaterialer, som forskere bruger til medicinske implantater, lægemiddelbelægninger, og andre applikationer, siger Xuanhe Zhao, en lektor i maskinteknik ved MIT. "Men en med disse fire vigtige egenskaber er ikke blevet designet eller fremstillet før nu."

I deres papir, offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , Zhao og hans kolleger beskriver, hvordan hydrogelerne også kan 3-D-printes til en række forskellige former, der kan trænes til at udvikle rækken af ​​muskellignende egenskaber.

I fremtiden, materialerne kan bruges i implantater såsom "hjerteklapper, brusk udskiftninger, og spinal diske, såvel som i tekniske applikationer såsom bløde robotter, " siger Zhao.

Andre MIT-forfattere på papiret inkluderer kandidatstuderende Shaoting Lin, postdoc Ji Liu, og kandidatstuderende Xunyue Liu i Zhaos laboratorium.

Træning for styrke og mere

Fremragende bærende naturligt væv såsom muskler og hjerteklapper er en bioinspiration for materialeforskere, men det har været meget udfordrende at designe materialer, der fanger alle deres egenskaber samtidigt, Siger Zhao.

For eksempel, man kan designe en hydrogel med højt justerede fibre for at give den styrke, men den er måske ikke så fleksibel som en muskel, eller det har muligvis ikke det vandindhold, der gør det kompatibelt til brug hos mennesker. "De fleste væv i den menneskelige krop indeholder omkring 70 procent vand, så hvis vi vil implantere et biomateriale i kroppen, et højere vandindhold er mere ønskeligt til mange anvendelser i kroppen, " forklarer Zhao.

Opdagelsen af, at mekanisk træning kunne producere en muskellignende hydrogel, var noget af en ulykke, siger Lin, hovedforfatteren af ​​PNAS-undersøgelsen. Forskergruppen havde udført cykliske mekaniske belastningstest på hydrogelerne, forsøger at finde udmattelsespunktet, hvor hydrogelerne ville begynde at nedbrydes. De blev i stedet overrasket over at opdage, at den cykliske træning faktisk styrkede hydrogelerne.

"Fænomenet forstærkning i hydrogeler efter cyklisk belastning er kontraintuitivt i forhold til den nuværende forståelse af træthedsbrud i hydrogeler, men deler ligheden med mekanismen for muskelstyrkelse efter træning, "siger Lin.

Inden træning, nanofibrene, der udgør hydrogel, er tilfældigt orienterede. "Under uddannelsesprocessen hvad vi indså var, at vi justerede nanofibrene, "siger Lin, tilføjer, at justeringen svarer til, hvad der sker med en menneskelig muskel under gentagen træning. Denne træning gjorde hydrogelerne stærkere og træthedsbestandige. Kombinationen af ​​de fire nøgleegenskaber dukkede op efter ca. 1, 000 strækcykler, men nogle af hydrogelerne var strakt over 30, 000 cykler uden at bryde sammen. Trækstyrken af ​​den trænede hydrogel, i retning af de justerede fibre, øget med cirka 4,3 gange i forhold til den ustrakte hydrogel.

På samme tid, hydrogelen demonstrerede blød fleksibilitet, og fastholdt et højt vandindhold på 84 procent, fandt forskerne.

Antitræthedsfaktoren

Forskerne vendte sig til konfokal mikroskopi for at se nærmere på de trænede hydrogeler, for at se, om de kunne opdage årsagerne til deres imponerende egenskab mod træthed. "Vi gennemførte disse gennem tusinder af belastningscyklusser, så hvorfor fejler det ikke?", siger Lin. "Det, vi gjorde, var at lave et snit vinkelret på disse nanofibre og forsøgte at udbrede en revne eller skade i dette materiale."

"Vi farvede fibrene under mikroskopet for at se, hvordan de deformeres som følge af snittet, [og fandt ud af, at] et fænomen kaldet crack pinning var ansvarlig for træthedsmodstand, "Siger Ji.

"I en amorf hydrogel, hvor polymerkæderne er tilfældigt justeret, det tager ikke for meget energi, før skader spredes gennem gelen, " Lin tilføjer. "Men i de justerede fibre i hydrogelen, en revne vinkelret på fibrene 'fastgøres' på plads og forhindres i at forlænge, ​​fordi det tager meget mere energi at bryde gennem de justerede fibre en efter en. "

Faktisk, de trænede hydrogeler bryder en berømt træthedstærskel, forudsagt af Lake-Thomas teorien, som foreslår den energi, der kræves for at bryde et enkelt lag af amorfe polymerkæder, såsom dem, der udgør PVA-hydrogeler. De uddannede hydrogeler er 10 til 100 gange mere træthedsbestandige end forudsagt af teorien, Zhao og hans kolleger konkluderede.