Pielāgojams polimērs, iedvesmojoties no jūras gurķiem

Case Western universitātes zinātnieki ir izveidojuši biopolimēru, kas ātri pārslēdzas starp stingru un elastīgu stāvokli, izmantojot materiālu, ko iedvesmojuši jūras gurķi. Jaunais materiāls mīkstina ūdens bāzes šķīdinātāja klātbūtnē, un, šķīdinātājam iztvaikojot, tas atkal kļūst stingrs. Christoph Weder, vadošais pētnieks un makromolekulārās zinātnes un inženierijas profesors, saka, ka šāds materiāls var būt noderīgs implantējamu elektrodu projektēšanā, kas spēj reģistrēt smadzeņu darbību ilgā laika posmā ar minimālu rētu veidošanos salīdzinājumā ar parastajiem elektrodiem.

Viedais polimērs: Jūras gurķi iedvesmoja jauna nanokompozītmateriāla dizainu, kas ātri pāriet no cieta uz mīkstu. Jauno materiālu varētu izmantot neironu mikroelektrodos.

Viens no izaicinājumiem, ar kuriem saskaras pētnieki, izstrādājot neironu implantus, lai palīdzētu paralizētiem pacientiem, ir tas, ka elektrodi parasti ir izgatavoti no metāla. Šāds trausls un stīvs materiāls laika gaitā var izraisīt audu bojājumus. (Skatiet sadaļu Izstiepjama elektroniskā āda.) Patiešām, pāris mēnešu laikā elektroda cietā ārpuse berzē mīksto smadzeņu vielu, izraisot rētaudi veidošanos un ievērojami samazinot elektroda ierakstīšanas spēju. Mums ir vajadzīgi jaunas paaudzes elektrodi, kas atšķiras no parastajiem metāla elektrodiem, kas pēc kāda laika rada visa veida bojājumus un vairs nedarbojas, saka MIT institūta profesors Emilio Bizzi, kurš nebija iesaistīts pētījumā.

Lai pārvarētu šo problēmu, Veders un viņa kolēģi meklēja bioloģiski saderīgus materiālus, kas varētu pārveidoties no stingra līdz elastīgam stāvoklim, un viņi atrada ideālu jūras gurķa modeli. Kamēr jūras gurķis manevrē pāri okeāna dibenam, tā lokanā struktūra ļauj viegli iztārpot cauri plaisām un plaisām. Pie pirmajām briesmu pazīmēm tā āda sastingst, veidojot stingras bruņas pret iespējamiem plēsējiem. Pētnieki ir atklājuši, ka jūras gurķu miza sastāv no īpaši smalka celulozes šķiedru tīkla jeb ūsām. Aizsardzības režīmā apkārtējās šūnas atbrīvo molekulas, kas liek ūsām savienoties kopā, veidojot stingru vairogu. Atvieglotā stāvoklī citas šūnas izdala plastificējošus proteīnus, atbrīvojot šķiedras un padarot ādu elastīgu.

Vedera komanda izdalīja stingras celulozes šķiedras no tunikātu apvalkiem — jūras radībām, kuru āda ir līdzīga jūras gurķu ādai. Pēc tam pētnieki apvienoja šķiedras ar gumijas polimēru maisījumu. Šķiedras veidoja vienmērīgu matricu, pastiprinot mīkstāku polimēru materiālu. Šie krustošanās punkti satur tīklu kopā, radot neelastīgu materiālu. Tas ir kā trīsdimensiju tīkls, kurā šīs nanošķiedras pārklājas noteiktos punktos, un visur, kur tās pārklājas, tās pielīp viena otrai, saka Veders.

Multivide

• Skatiet jūras gurķi un materiālus, kurus tas iedvesmojis.

Viņš saka, ka celulozes šķiedras īpaši labi savienojas viena ar otru, jo uz to virsmas ir daudz hidroksilgrupu. Ja nav nevienas citas ūdeņradi saturošas molekulas, šīs hidroksilgrupas salīp kopā, veidojot šķiedru tīklu. Lai sarautu šķiedru saites un atraisītu tīklu, Vedera komanda materiālā, kas satur konkurētspējīgas ūdeņraža grupas, injicēja uz ūdens bāzes šķīdinātāju. Atbildot uz to, celulozes šķiedras atdalījās, jo to ūdeņraža grupas tika apvienotas ar ūdens šķīdumu. Alternatīvi, ūdenim iztvaikojot no maisījuma, šķiedras atkal savienojās, atkal kļūstot stīvas.

Cietā stāvoklī materiāls ir kā cieta, stingra plastmasa, līdzīgi kā jūsu CD korpuss, saka Veders. Kad materiāls kļūst mīksts, tas vairāk atgādina gumiju. Viņš saka, ka, ja šāds materiāls tiktu izmantots neironu elektrodu projektēšanai, to varētu konstruēt tā, lai tas reaģētu uz šķidrumu smadzenēs, mīkstinot, saskaroties ar nervu audiem.

MIT Bizzi saka, ka šāds lokans elektrods pagarinātu ierakstīšanas laiku smadzenēs, kas ir iespējams ar nervu implantiem, un sniegtu vērtīgus datus tādu slimību ārstēšanai kā Parkinsona slimība, Tureta sindroms un muguras smadzeņu bojājumi. Laukam ir vajadzīgas jaunas tehnoloģijas, lai no smadzenēm būtu iespējams ierakstīt ilgāku laiku, saka Bizzi. Ja tas izdotos, tā būtu nelaime.

Elektrodu lietojumos materiālam vajadzētu pārveidoties tikai vienu reizi, no stingra līdz mīkstam, vienreiz smadzenēs. Veders saka, ka materiālu uz celulozes bāzes var izmantot citiem lietojumiem, kuriem nepieciešams pārslēgties uz priekšu un atpakaļ no stingrākiem uz mīkstākiem stāvokļiem. Jūs varētu padomāt par gudru ģipsi, kurā vēlaties nostiprināt ģipsi, taču ik pa laikam vēlaties to mīkstināt, lai varētu kustināt roku, saka Veders. Tātad šajā lietojumprogrammā jūs vēlaties atgriezenisku materiālu.

Veders piebilst, ka celulozes šķiedras var iegūt no citiem avotiem, nevis no jūras gurķiem, piemēram, no koka un kokvilnas – šo ceļu viņa komanda plāno izpētīt.

paslēpties