Gennembrud skaber hårdt materiale, der kan strække sig, helbrede og forsvare sig selv

Mens man spiste takeaway en dag, University of Chicago videnskabsmænd Bozhi Tian og Yin Fang begyndte at tænke på nudlerne - specifikt, deres elasticitet. En specialitet fra Xi'an, Tians hjemby i Kina, er hvedenudler strakt i hånden, indtil de bliver seje-stærke og elastiske. Hvorfor, de to materialeforskere undrede sig, blev de ikke tynde og svage i stedet for?

De begyndte at eksperimentere, bestille pounds og pounds af nudler fra restauranten. "De blev meget mistænksomme, " sagde Fang. "Jeg tror, ​​de troede, vi ville stjæle deres hemmeligheder for at åbne en rivaliserende restaurant."

Men det, de forberedte, var en opskrift på syntetisk væv - der kunne efterligne biologisk hud og væv meget tættere end eksisterende teknologi.

"Det viser sig, at granulat af almindelig stivelse kan være den manglende ingrediens i en komposit, der efterligner mange af vævets egenskaber, " sagde Fang, en UChicago postdoc-forsker og hovedforfatter til et nyt papir offentliggjort 29. januar i tidsskriftet Stof . "Vi tror, ​​at dette fundamentalt kan ændre den måde, vi kan lave vævslignende materialer på."

Gennembruddet gør det muligt for det syntetiske væv at strække sig i flere retninger, men at hele og forsvare sig selv ved at omorganisere dets indre strukturer - hvilket er hvordan menneskelig hud beskytter sig selv. Opdagelsen kan en dag føre til anvendelser fra blød robotteknologi og medicinske implantater til bæredygtig fødevareemballage og biofiltrering.

Ligesom mange af naturens opfindelser, hud og væv er ekstraordinære ingeniørbedrifter, som har været svære for mennesker at efterligne. Tian er en førende efterforsker på dette område, konfrontere dette problem ved at søge at bygge grænseflader mellem biologiske væv og menneskeskabte systemer.

De fleste nuværende muligheder for syntetisk væv kan kun håndtere en eller to af biologiske vævs egenskaber:formbarhed, men ikke styrke, eller styrke, men ikke selvhelbredende.

Eksperimenterer med nudlerne, forskerne fandt ud af, at den indre struktur bestod af et glutennetværk besat med granulat af stivelse. "Det lignede faktisk meget biologisk væv, " Fang sagde, "fordi væv består af en ekstracellulær matrix, der understøtter individuelle celler."

Syntetisk væv er normalt lavet af et gelnet, som efterligner strukturen af ​​den ekstracellulære matrix - men ikke indeholder en analog til cellerne. Men forskerne undrede sig:Hvad hvis cellerne var en vigtig komponent i vævsmekanikken?

Tian og Fangs idé, var at indlejre granulat af stivelse i en gelmatrix, tænkte, at dette ville ændre den måde, materialet bevægede sig på.

Det gjorde. "Vævet" var ikke kun stærkt og fleksibelt, men det ændrede sig, efter at det var blevet strakt - meget ligesom det, der sker, når du træner dine muskler. "Især denne 'hukommelseseffekt' er ekstremt svær at replikere syntetisk, " sagde Tian, der er lektor i Kemisk Institut.

Den afgørende forskel er tilstedeværelsen af ​​stivelsesgranulatet. De kan flytte sig lidt på plads, når materialet er belastet, og deres evne til at bevæge sig ændrer konstant den indre struktur - hvilket tillader "vævet" at deformeres, når det ellers kunne gå i stykker.

Deres hydrogenbindinger, som kan genformes efter at være blevet brudt, også lade materialet hele sig selv. "Så længe de stadig er i fysisk kontakt, disse bånd vil til sidst dannes igen, " sagde Yin.

Konceptet giver muligheder for en række anvendelser. Fang er især interesseret i at bruge materialet til fødevareemballage. Appelsiner eller bananer har skræl, der består af en lignende matrix, der absorberer stød, når de hopper rundt i en lastbil, men andre fødevarer gør det ikke - og komponenterne er biologisk nedbrydelige.

Medicinske implantater er et andet område. De fleste har brug for hårde komponenter, såsom ledudskiftninger, men disse har tendens til at fremkalde betændelse i menneskekroppen. Tian forklarede, at en væsentlig årsag er, at der er et mekanisk misforhold mellem hårdt titanium eller stål og kroppens bløde væv; syntetisk væv kunne tjene som et mellemled, der letter symptomerne. "Vi har også desperat brug for et syntetisk organ, der kan filtrere selektivt, ligesom menneskelige nyrer gør, og dette kan tilbyde en vej til den slags biofiltrering, " sagde Tian.

Tian og Fang kan også forestille sig, at konceptet er nyttigt i blød robotteknologi, et spirende felt, der gør det muligt for robotter at have evner, som hårde materialer ikke har – som at klemme sig ind på små steder eller nænsomt gribe genstande.

"Der er så mange muligheder, " sagde Fang. "Vi ser virkelig frem til at udforske mere detaljeret."

"Dette er virkelig en ny vinkel på biomimetik, " sagde Tian. "Normalt på dette område efterligner vi naturlig evolution. Men du kan også efterligne menneskelige praksisser, der udviklede sig - i dette tilfælde, over tusind år med at lave nudler i Kina."