Materialeforskere viser måde at lave holdbare kunstige sener fra forbedrede hydrogeler

UCLA-materialeforskere og deres kolleger har udviklet en ny metode til at fremstille syntetiske biomaterialer, der efterligner den indre struktur, strækbarhed, styrke og holdbarhed af sener og andet biologisk væv.

Forskerne udviklede en tostrenget proces til at forbedre styrken af ​​eksisterende hydrogeler, der kunne bruges til at skabe kunstige sener, ledbånd, brusk, der er 10 gange hårdere end det naturlige væv. Selvom hydrogelerne hovedsageligt indeholder vand med et lille faststofindhold (ca. 10% polymer), de er mere holdbare end Kevlar og gummi, som begge er 100% polymer. Denne form for gennembrud er aldrig blevet opnået i vandfyldte polymerer før denne undersøgelse, som for nylig blev offentliggjort i Natur . De nye hydrogeler kan også give belægning til implanteret eller bærbart medicinsk udstyr for at forbedre deres pasform, komfort og langsigtet ydeevne.

"Dette arbejde viser en meget lovende vej mod kunstige biomaterialer, der er på niveau med, hvis ikke stærkere end, naturlige biologiske væv, " sagde studieleder Ximin He, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved UCLA Samueli School of Engineering.

Hydrogeler er en bred klasse af materialer med indvendige strukturer, der består af krydskrydsende polymerer eller geler. De viser lovende brug som erstatningsvæv, enten for midlertidigt at lukke sår eller som en langsigtet eller endda permanent løsning. Ud over, gelerne kan have applikationer til bløde robotter og bærbar elektronik.

Imidlertid, nuværende hydrogeler er ikke stærke eller holdbare nok til at efterligne eller erstatte væv, der skal bevæge sig og bøje gentagne gange, mens de bærer vægt. For at løse disse problemer, det UCLA-ledede team brugte en kombination af molekylære og strukturelle ingeniørmæssige tilgange, som ikke tidligere blev brugt sammen til fremstilling af hydrogeler.

Først, forskerne brugte en metode kaldet "frysestøbning" - en størkningsproces, der resulterer i porøse og koncentrerede polymerer, ligner en svamp. Sekund, de brugte en "udsaltning"-behandling til at aggregere og krystallisere polymerkæder til stærke fibriller. De resulterende nye hydrogeler har en række forbindelsesstrukturer på tværs af flere forskellige skalaer - fra molekylære niveauer op til et par millimeter. Hierarkiet af disse flere strukturer, svarende til biologiske modparter, gør det muligt for materialet at blive stærkere og mere strækbart.

Som demonstreret af holdet, denne alsidige metode er meget tilpasselig og kan replikere forskellige bløde væv i den menneskelige krop.

Forskerne brugte polyvinylalkohol, et materiale, der allerede er godkendt af U.S. Food and Drug Administration, at lave deres hydrogel prototype. De testede dens holdbarhed, ser ingen tegn på forringelse efter 30, 000 cyklusser med stræktest. Under lys, den nye hydrogel frembragte en levende shimmer, ligner rigtige sener, bekræfter de mikro/nano strukturer, der dannes i gelen.

Ud over biomedicinske applikationer, fremskridtet kan rumme potentiale for kirurgiske maskiner eller bioelektronik, der opererer utallige cyklusser, og 3D-print af tidligere uopnåelige konfigurationer, takket være hydrogelens fleksibilitet. Faktisk, holdet demonstrerede, at sådanne 3-D-printede hydrogelarkitekturer kunne forvandle sig til andre former i afventning af ændringer i temperaturen, surhed eller fugtighed. Fungerer som kunstige muskler, de er meget mere modstandsdygtige og kunne udøve stor kraft.