211service.com
Elastyczny polimer inspirowany ogórkami morskimi
Naukowcy z Case Western University stworzyli biopolimer, który szybko przełącza się między stanem sztywnym i elastycznym, wykorzystując materiał inspirowany ogórkami morskimi. Nowy materiał mięknie w obecności rozpuszczalnika na bazie wody i sztywnieje w miarę odparowywania rozpuszczalnika. Christoph Weder, główny badacz i profesor nauk i inżynierii makromolekularnej, mówi, że taki materiał może być przydatny w projektowaniu wszczepialnych elektrod zdolnych do rejestrowania aktywności mózgu przez długi czas, przy minimalnych bliznach w porównaniu z konwencjonalnymi elektrodami.
Inteligentny polimer: Morskie ogórki zainspirowały projekt nowego nanokompozytu, który szybko zmienia się z twardego na miękki. Nowy materiał może znaleźć zastosowanie w mikroelektrodach neuronowych.
Jednym z wyzwań stojących przed naukowcami opracowującymi implanty neuronowe, które mają pomóc sparaliżowanym pacjentom, jest fakt, że elektrody są zazwyczaj wykonane z metalu. Taki kruchy i sztywny materiał może z czasem powodować uszkodzenie tkanki. (Patrz Rozciągliwa Elektroniczna Skóra .) Rzeczywiście, przez kilka miesięcy twarda powierzchnia zewnętrzna elektrody ociera się o miękką materię mózgową, powodując tworzenie się blizny i znacznie zmniejszając zdolność zapisu elektrody. Potrzebujemy nowej generacji elektrod, które różnią się od zwykłych elektrod metalowych, które po pewnym czasie powodują różnego rodzaju uszkodzenia i już nie działają, mówi profesor Emilio Bizzi z Instytutu MIT, który nie był zaangażowany w badanie.
Aby rozwiązać ten problem, Weder i jego koledzy szukali materiałów biokompatybilnych, które mogłyby przekształcić się ze stanu sztywnego w elastyczne, i znaleźli idealny model w ogórku morskim. Gdy ogórek morski manewruje po dnie oceanu, jego giętka struktura ułatwia przedzieranie się przez pęknięcia i szczeliny. Przy pierwszych oznakach zagrożenia jego skóra sztywnieje, tworząc sztywną zbroję przeciwko potencjalnym drapieżnikom. Naukowcy odkryli, że skóra ogórka morskiego składa się z ultracienkiej sieci włókien celulozowych lub wąsów. W trybie obronnym otaczające komórki uwalniają cząsteczki, które powodują, że wąsy łączą się ze sobą, tworząc sztywną tarczę. W stanie zrelaksowanym inne komórki uwalniają uplastyczniające białka, rozluźniając włókna i czyniąc skórę elastyczną.
Zespół Wedera wyizolował sztywne włókna celulozowe z osłon osłonic, stworzeń morskich o skórze podobnej do skóry ogórków morskich. Następnie naukowcy połączyli włókna z gumowatą mieszaniną polimerów. Włókna utworzyły jednolitą matrycę, wzmacniając bardziej miękki materiał polimerowy. Te przecinające się punkty utrzymują sieć razem, tworząc nieelastyczny materiał. To jak trójwymiarowa sieć, w której te nanowłókna nakładają się w określonych punktach, a gdziekolwiek się nakładają, przylegają do siebie, mówi Weder.
Multimedialne
Zobacz ogórek morski i materiały, które zainspirowały.
Mówi, że włókna celulozowe szczególnie dobrze łączą się ze sobą, ponieważ zawierają na swojej powierzchni wiele grup hydroksylowych. W przypadku braku jakiejkolwiek innej cząsteczki zawierającej wodór, te grupy hydroksylowe sklejają się, tworząc włóknistą sieć. Aby zerwać wiązania włókien i poluzować sieć, zespół Wedera wstrzyknął rozpuszczalnik na bazie wody do materiału, który zawierał konkurencyjne grupy wodorowe. W odpowiedzi włókna celulozowe oddzieliły się, gdy ich grupy wodorowe połączyły się z roztworem wodnym. Na przemian, gdy woda wyparowała z mieszanki, włókna ponownie się łączyły, ponownie stając się sztywne.
W stanie sztywnym materiał jest jak twardy, sztywny plastik, podobnie jak opakowanie CD, mówi Weder. Kiedy materiał staje się miękki, przypomina bardziej gumę. Mówi, że gdyby taki materiał został użyty do zaprojektowania elektrod nerwowych, można by go zaprojektować tak, aby reagował na płyn w mózgu, zmiękczając się w kontakcie z tkanką nerwową.
Bizzi z MIT mówi, że taka giętka elektroda wydłużyłaby czas rejestracji w mózgu, co jest możliwe dzięki implantom neuronowym, i dostarczyłaby cennych danych do leczenia takich schorzeń, jak choroba Parkinsona, zespół Tourette'a i urazy rdzenia kręgowego. Dziedzina ta potrzebuje nowej technologii, aby umożliwić nagrywanie przez dłuższy czas z mózgu, mówi Bizzi. Jeśli to zadziała, będzie to dar niebios.
W zastosowaniach z elektrodami materiał musiałby zostać przekształcony tylko raz, ze sztywnego w miękki, raz w mózgu. Weder twierdzi, że materiał na bazie celulozy może być wykorzystany do innych zastosowań, które wymagają zmiany stanu sztywnego do bardziej miękkiego. Mógłbyś pomyśleć o sprytnym gipsie, w którym chciałbyś usztywnić gips, ale od czasu do czasu chcesz go zmiękczyć, aby móc poruszać ręką, mówi Weder. Więc w tej aplikacji chciałbyś mieć materiał odwracalny.
Weder dodaje, że włókna celulozowe można pozyskiwać ze źródeł innych niż ogórki morskie, takich jak drewno i bawełna – aleja, którą jego zespół planuje zbadać.