Udvidelse af metaltolerance for hydrogeler

Forskere, der søger at udvikle selvhelbredende hydrogeler, har længe forsøgt at efterligne muslingers naturlige evne til at generere stærke, fleksible tråde under vandet, der gør, at muslingerne kan klæbe til sten.

Den naturlige proces, der giver disse muslingetråde, som kaldes byssal, evnen til at bryde fra hinanden og omdannes er en ren kemisk proces, ikke en biologisk, MIT kandidatstuderende Seth Cazzell bemærkede i en præsentation til Materials Research Societys efterårsmøde i Boston den 5. december.

Det kritiske trin i processen er den kemiske binding af polymerkæder til et metalatom (en protein-til-metal-binding i muslingens tilfælde). Disse forbindelser kaldes tværbundne metalkoordinationsbindinger. Deres største styrke opstår, når hvert metalatom binder sig til tre polymerkæder, og de danner et netværk, der resulterer i en stærk hydrogel.

I en nyligt offentliggjort PNAS papir, Cazzell og lektor i materialevidenskab og teknik Niels Holten-Andersen demonstrerede en metode til at skabe en selvhelbredende hydrogel i et bredere spektrum af metalkoncentrationer ved brug af konkurrence styret af pH, eller surhedsgrad og alkalinitet, af miljøet. Cazzell er en tidligere National Defense Science and Engineering Graduate Fellow.

I deres modelberegningssystem, Cazzell viste, at i fravær af pH-kontrolleret konkurrence, overskydende metal - typisk jern, aluminium, eller nikkel - overvælder polymerens evne til at danne stærke tværbindinger. I nærvær af for meget metal, polymererne vil binde enkeltvis til metalatomer i stedet for at danne tværbundne komplekser, og materialet forbliver en væske.

En almindeligt studeret muslingeinspireret metalkoordinerende ligand er catechol. I dette studie, en modificeret katekol, nitrocatechol, blev bundet til polyethylenglycol. Ved at studere nitrocatechol-systemet koordineret med jern, samt en anden model hydrogelsystem (histidin koordineret med nikkel), Cazzell bekræftede eksperimentelt, at dannelsen af ​​stærke tværbindinger kunne induceres under overskydende metalkoncentrationer, understøtter deres beregningsbeviser for hydroxidioners konkurrencemæssige rolle (negativt ladede brint-ilt-par), som fungerer som en konkurrent til polymeren for binding til metal.

I disse løsninger, polymerer kan binde sig til metalatomer i en, toere, eller treere. Når flere metalatomer binder til hydroxidionerne, der er færre metalatomer tilgængelige til at binde til polymeratomer, hvilket øger sandsynligheden for, at polymeratomerne binder sig til metalatomerne i stærke tredobbelte tværbindinger, der frembringer den ønskede kitlignende gel.

"Det, vi virkelig godt kan lide ved denne undersøgelse, er, at vi ikke ser direkte på biologi, men vi synes, det giver os gode beviser på noget, der kan ske i biologien. Så det er et eksempel på materialevidenskab, der informerer om, hvad vi tror, ​​organismen faktisk bruger til at bygge disse materialer, " siger Cazzell.

I simuleringer, Cazzell plottede effekten af ​​hydroxidkonkurrenten på stærk hydrogeldannelse og fandt ud af, at efterhånden som konkurrentens styrke øges, "vi kan indgå i en række, hvor vi kan danne en gel næsten hvor som helst." Men, han siger, "Til sidst bliver konkurrenten for stærk, og du mister evnen til overhovedet at danne en gel."

Disse resultater har potentiale til brug i avanceret 3D-print af syntetisk væv og andre biomedicinske applikationer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.