Polymer gel, helbred dig selv:Teamet foreslår nye kompositter, der kan regenerere, når de bliver beskadiget

(Phys.org) —Når et stoleben knækker, eller en mobiltelefon går i stykker, enten skal repareres eller udskiftes. Men hvad nu hvis disse materialer kunne programmeres til at regenerere sig selv, genopfyldning af beskadigede eller manglende komponenter, og dermed forlænge deres levetid og reducere behovet for dyre reparationer?

Det potentiale er nu muligt ifølge forskere ved University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, som har udviklet beregningsmodeller til at designe en ny polymergel, der ville gøre det muligt for komplekse materialer at regenerere sig selv. Artiklen, "Udnyttelse af grænsefladeaktive nanorods til at regenerere afskårne polymergeler", blev offentliggjort den 19. november i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

Hovedefterforsker er Anna C. Balazs, PhD, Swanson School's Distinguished Robert v. d. Luft professor i kemi- og petroleumsteknik, og medforfattere er Xin Yong, PhD, postdoc associeret, hvem er artiklens hovedforfatter; Olga Kuksenok, PhD, forskningslektor; og Krzysztof Matyjaszewski, PhD, J.C. Warner University professor i naturvidenskab, afdeling for kemi ved Carnegie Mellon University.

"Dette er en af ​​materialevidenskabens hellige gral, " bemærkede Dr. Balazs. "Mens andre har udviklet materialer, der kan reparere små defekter, der er ingen publiceret forskning vedrørende systemer, der kan regenerere store dele af et afskåret materiale. Dette har en enorm indflydelse på bæredygtigheden, fordi du potentielt kan forlænge et materiales levetid ved at give det mulighed for at vokse igen, når det beskadiges."

Forskerholdet var inspireret af biologiske processer i arter som padder, som kan regenerere afskårne lemmer. Denne type vævsregenerering er styret af tre kritiske instruktionssæt - initiering, udbredelse, og opsigelse – som Dr. Balazs beskriver som en "smuk dynamisk kaskade" af biologiske begivenheder.

"Da vi så på de biologiske processer bag vævsregenerering i padder, vi overvejede, hvordan vi ville replikere den dynamiske kaskade i et syntetisk materiale, " Dr. Balazs sagde. "Vi var nødt til at udvikle et system, der først kunne mærke fjernelse af materiale og starte genvækst, spred derefter væksten, indtil materialet nåede den ønskede størrelse og derefter, selv afslutte processen."

"Vores største udfordring var at løse transportproblemet inden for et syntetisk materiale, " Dr. Balazs sagde. "Biologiske organismer har kredsløbssystemer for at opnå massetransport af materialer som blodceller, næringsstoffer og genetisk materiale. Syntetiske materialer har ikke i sig selv et sådant system, så vi havde brug for noget, der fungerede som en sensor til at igangsætte og kontrollere processen."

Holdet udviklede et hybridmateriale af nanorods indlejret i en polymergel, som er omgivet af en opløsning indeholdende monomerer og tværbindere (molekyler, der binder en polymerkæde til en anden) for at replikere den dynamiske kaskade. Når en del af gelen skæres, nanoroderne nær snittet fungerer som sensorer og migrerer til den nye grænseflade. De funktionaliserede kæder eller "skørter" i den ene ende af disse nanorods holder dem lokaliseret ved grænsefladen, og stederne (eller "initiatorerne") langs stangens overflade udløser en polymerisationsreaktion med monomeren og tværbindere i den ydre opløsning. Drs. Yong og Kuksenok udviklede beregningsmodellerne, og derved etablerede retningslinjer for at kontrollere processen, så den nye gel opfører sig og fremstår som den gel, den erstattede, og at afslutte reaktionen, så materialet ikke ville vokse ud af kontrol.

Drs. Balazs, Kuksenok og Yong krediterer også Krzysztof Matyjaszewski, som bidrog til forståelsen af ​​kemien bag polymerisationsprocessen. "Vores samarbejde med Prof. Matyjaszewski var usædvanligt værdifuldt for at give os mulighed for nøjagtigt at redegøre for alle de komplekse kemiske reaktioner involveret i regenereringsprocesserne" sagde Dr. Kuksenok.

"Den smukkeste, men udfordrende del var at designe nanorods til at tjene flere roller, Dr. Yong sagde. de giver det perfekte køretøj til at udløse en syntetisk dynamisk kaskade." Nanoroderne er cirka ti nanometer i tykkelse, omkring 10, 000 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår.

I fremtiden, forskerne planlægger at forbedre processen og styrke båndene mellem de gamle og nydannede geler, og til dette blev de inspireret af en anden naturmetafor, det gigantiske sequoia-træ. "Et sequoiatræ vil have et lavt rodsystem, men når de vokser i antal, rodsystemerne flettes sammen for at give støtte og bidrage til deres enorme vækst, " forklarer Dr. Balazs. På samme måde, skørterne på nanoroderne kan give yderligere styrke til det regenererede materiale.

Den næste generation af forskning vil yderligere optimere processen til at vokse flere lag, skabe mere komplekse materialer med flere funktioner.