Дизайн и синтез материалов с биологическими функциями требует тонкого баланса между структурной формой и физиологической функцией. Например, во время эмбрионального развития плоские листы эмбриональных клеток трансформируются через серию складок в сложные трехмерные структуры, такие как ветви, трубки и борозды. Они, в свою очередь, становятся динамическими трехмерными строительными блоками для органов, выполняющих жизненно важные функции, такие как сердцебиение, усвоение питательных веществ или обработка информации нервной системой.
Однако такие процессы формообразования контролируются химическими и механическими сигнальными событиями, которые не до конца понятны на микроскопическом уровне.
Чтобы восполнить этот пробел, исследователи под руководством Моники Ольвера де ла Крус разработали вычислительные и экспериментальные системы, которые имитируют эти биологические взаимодействия. Гидрогели, класс гидрофильных полимерных материалов, появились в качестве кандидатов, способных воспроизводить изменения формы при химическом и механическом воздействии, наблюдаемом в природе.
Исследователи разработали теоретическую модель оболочки на основе гидрогеля, которая претерпевала автономные морфологические изменения под действием химических реакций.
«Мы обнаружили, что химические вещества модифицировали локальную микросреду геля, позволяя автономно набухать и отслаивать материалы под воздействием химио-механических напряжений», – сказал де ла Круз, юрист Тейлор, профессор материаловедения и инженерии в Школе инженерии Маккормика. "Это привело к динамическим морфологическим изменениям, включая периодические колебания, напоминающие сердцебиение в живых системах."
Статья под названием «Химически контролируемое формирование структуры в автоколебательных упругих оболочках» была опубликована 1 марта в журнале PNAS. Сию Ли и Даниэль Матос-Фернандес, постдокторанты в лаборатории Ольвера де ла Крус, были соавторами статьи.
В ходе исследования ученые разработали химически чувствительную полимерную оболочку, имитирующую живую материю. Они применили механические свойства гидрогелевой оболочки на водной основе к химическому веществу, химическому веществу, которое производит определенное узорчатое поведение – в данном случае волнообразные колебания – расположенное внутри оболочки.
После проведения серии окислительно-восстановительных реакций – химической реакции, которая передает электроны между двумя химическими веществами – оболочка образовывала микрокапсулы, способные расширяться или сжиматься, или вызывать поведение изгиба-отстегивания при появлении механической нестабильности.
«Мы связали механическую реакцию гидрогеля с изменениями концентрации химических веществ в геле в виде петли обратной связи», – сказал Матос-Фернандес. "Если уровень химикатов превышает определенный порог, вода впитывается, и гель набухает. Когда гель набухает, химические вещества растворяются, вызывая химические процессы, которые вытесняют воду из геля, тем самым сокращая гель."
Модель исследователей может быть использована в качестве основы для разработки других мягких материалов, демонстрирующих разнообразные, динамические морфологические изменения. Это может привести к новым стратегиям доставки лекарств с материалами, которые увеличивают скорость диффузии разделенных химикатов или высвобождают грузы с определенной скоростью.
«В принципе, можно было бы разработать каталитические микрокамеры, которые расширяются и сжимаются для поглощения или высвобождения компонентов с определенной частотой. Это может привести к более целенаправленным, основанным на времени терапевтическим методам лечения болезней ", – сказал Ли.
Эта работа также может дать информацию о будущих разработках мягких материалов с роботоподобной функциональностью, которые работают автономно. Эта «мягкая робототехника» стала кандидатом на поддержку химического производства, инструментов для экологических технологий или интеллектуальных биоматериалов для медицины. Тем не менее, материалы полагаются на внешние раздражители, такие как свет, чтобы функционировать.
«Наш материал работает автономно, поэтому внешний контроль не требуется», – сказал Ли. "Выталкивая" оболочку "с помощью химической реакции, вы запускаете движение."
Исследователи планируют развивать свои открытия и устранять разрыв между тем, что возможно в природе, и научной лабораторией.
«Долгосрочная цель – создать автономные гидрогели, которые могут выполнять сложные функции, запускаемые такими простыми подсказками, как локальная механическая деформация», – сказал Ольвера де ла Крус.