Design af bløde materialer, der efterligner biologiske funktioner

Northwestern Engineering forskere har udviklet en teoretisk model til at designe bløde materialer, der demonstrerer autonome oscillerende egenskaber, der efterligner biologiske funktioner. Arbejdet kunne fremme designet af responsive materialer, der bruges til at levere terapeutika såvel som til robotlignende bløde materialer, der fungerer autonomt.

Design og syntese af materialer med biologiske funktioner kræver en delikat balance mellem strukturform og fysiologisk funktion. Under embryonal udvikling, for eksempel, flade ark af embryonale celler forvandler sig gennem en række folder til indviklede tredimensionelle strukturer såsom grene, rør, og furer. Disse, på tur, blive dynamisk, tredimensionelle byggesten til organer, der udfører vitale funktioner som hjerteslag, optagelse af næringsstoffer, eller informationsbehandling i nervesystemet.

Sådanne formdannende processer, imidlertid, styres af kemiske og mekaniske signalhændelser, som ikke er fuldt ud forstået på det mikroskopiske plan. For at bygge bro over denne kløft, forskere ledet af Monica Olvera de la Cruz designet beregningsmæssige og eksperimentelle systemer, der efterligner disse biologiske interaktioner. Hydrogeler, en klasse af hydrofile polymermaterialer, er dukket op som kandidater, der er i stand til at gengive formændringer ved kemisk og mekanisk stimulering observeret i naturen.

Forskerne udviklede en teoretisk model for en hydrogelbaseret skal, der undergik autonome morfologiske ændringer, når de blev induceret af kemiske reaktioner.

"Vi fandt ud af, at kemikalierne modificerede det lokale gelmikromiljø, tillader opsvulmning og opsvulmning af materialer via kemo-mekaniske belastninger på en autonom måde, sagde de la Cruz, Advokat Taylor professor i materialevidenskab og teknik ved McCormick School of Engineering. "Dette genererede dynamiske morfologiske ændringer, inklusive periodiske svingninger, der minder om hjerteslag fundet i levende systemer."

Et papir, med titlen "Kemisk styret mønsterdannelse i selvoscillerende elastiske skaller, " blev offentliggjort 1. marts i tidsskriftet PNAS . Siyu Li og Daniel Matoz-Fernandez, postdoc-stipendiater i Olvera de la Cruz's laboratorium, var avisens første forfattere.

I undersøgelsen, forskerne designede en kemisk reagerende polymere skal beregnet til at efterligne levende stof. De påførte hydrogelskalens vandbaserede mekaniske egenskaber på en kemisk art, et kemisk stof, der producerer specifik mønstret adfærd - i dette tilfælde, bølgelignende svingninger - placeret inde i skallen. Efter at have udført en række reduktion-oxidationsreaktioner - en kemisk reaktion, der overfører elektroner mellem to kemiske arter - genererede skallen mikrorum, der var i stand til at udvide sig eller trække sig sammen, eller inducering af knæk-afknækningsadfærd, når mekanisk ustabilitet blev indført.

"Vi koblede hydrogelens mekaniske respons på ændringer i koncentrationen af ​​de kemiske arter i gelen som en feedback-loop, " sagde Matoz-Fernandez. "Hvis niveauet af kemikalier går over en vis tærskel, vand bliver absorberet, hævelse af gelen. Når gelen svulmer, den kemiske art bliver fortyndet, udløser kemiske processer, der udstøder gelens vand, trækker derfor gelen sammen."

Forskernes model kunne bruges som grundlag for at udvikle andre bløde materialer, der demonstrerer forskellige, dynamiske morfologiske ændringer. Dette kan føre til nye lægemiddelleveringsstrategier med materialer, der øger diffusionshastigheden af ​​opdelte kemikalier eller frigiver laster med specifikke hastigheder.

"Man kunne, i princippet, designe katalytiske mikrorum, der udvider og trækker sig sammen for at absorbere eller frigive komponenter ved en bestemt frekvens. Dette kan føre til mere målrettede, tidsbaserede terapier til behandling af sygdom, " sagde Li.

Arbejdet kunne også informere den fremtidige udvikling af bløde materialer med robotlignende funktionalitet, der fungerer autonomt. Disse 'bløde robotter' er dukket op som kandidater til at støtte kemisk produktion, værktøjer til miljøteknologier, eller smarte biomaterialer til medicin. Alligevel er materialerne afhængige af eksterne stimuli, såsom lys, at fungere.

"Vores materiale fungerer selvstændigt, så der er ingen ekstern kontrol involveret, " sagde Li. "Ved at 'prikke' i skallen med en kemisk reaktion, du udløser bevægelsen. "

Forskerne planlægger at bygge videre på deres resultater og yderligere bygge bro mellem, hvad der er muligt i naturen og det videnskabelige laboratorium.

"Det langsigtede mål er at skabe autonome hydrogeler, der kan udføre komplekse funktioner udløst af spor så simple som en lokal mekanisk deformation, "Sagde Olvera de la Cruz.