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La formation mécanique effectue les hydrogels synthétiques exécuter plutôt le muscle

Les muscles squelettiques humains ont une combinaison unique de propriétés que les chercheurs de matériaux recherchent pour leurs propres créations. Ils sont intenses, mous, pleins de l'eau, et résistants à la fatigue. Une étude neuve par des chercheurs de MIT a trouvé une voie de donner aux hydrogels synthétiques cet envoi total des caractéristiques : mise de elles par un exercice vigoureux.

En particulier, les scientifiques ont mécaniquement formé les hydrogels en les étirant sur un bain d'eau. Et tout comme avec des muscles squelettiques, les représentants au « gymnase » ont épongé. La formation a aligné des nanofibers à l'intérieur des hydrogels pour produire un intense, un doux, et un matériau hydraté qui résiste à la perte ou à la fatigue au-dessus des milliers de mouvements répétitifs.

Les hydrogels (PVA) d'alcool polyvinylique qualifiés dans l'expérience sont des biomatériaux réputés que les chercheurs emploient pour les implants médicaux, dopent des couches, et d'autres applications, dit Xuanhe Zhao, un professeur agrégé de l'industrie mécanique au MIT. « Mais on avec ces quatre propriétés importantes n'a pas été conçu ou n'a pas été fabriqué jusqu'ici. »

Dans leur de papier, cette semaine publiée dans les démarches de l'académie nationale des sciences, Zhao et ses collègues décrivent comment les hydrogels peuvent également être 3-D-printed dans un grand choix de formes qui peuvent être formées pour développer la suite des propriétés comme un muscle.

À l'avenir, les matériaux pourraient être employés dans des implants tels que des « valvules cardiaques, des remontages de cartilage, et des disques spinaux, ainsi que dans des applications de bureau d'études telles que les robots mous, » Zhao dit.

D'autres auteurs de MIT sur l'article incluent l'étudiant de troisième cycle Shaoting Lin, le postdoc Ji Liu, et l'étudiant de troisième cycle Xunyue Liu en laboratoire de Zhao.

Formation pour la force et plus

Les excellents tissus naturels porteurs tels que des muscles et des valvules cardiaques sont un bioinspiration aux chercheurs de matériaux, mais il a été très provocant pour concevoir les matériaux qui captent toutes leurs propriétés simultanément, Zhao dit.

Par exemple, on peut concevoir un hydrogel avec les fibres fortement alignées pour lui donner la force, mais il peut ne pas être aussi flexible comme muscle, ou il peut ne pas avoir la teneur en eau qui le rend compatible pour l'usage chez l'homme. « La plupart des tissus au corps humain contiennent environ 70 pour cent d'eau, ainsi si nous voulons implanter une matière biologique dans le fuselage, une teneur en eau plus élevé est plus désirable pour beaucoup d'applications dans le fuselage, » Zhao explique.

La découverte que la formation mécanique pourrait produire un hydrogel comme un muscle était quelque chose d'un accident, dit Lin, l'auteur important de l'étude de PNAS. L'équipe de recherche avait réalisé les essais mécaniques cycliques de charge sur les hydrogels, essayant de trouver la remarque de fatigue où les hydrogels commenceraient à décomposer. Ils étaient étonnés au lieu de constater que la formation cyclique renforçait réellement les hydrogels.

« Le phénomène du renforcement dans les hydrogels après que la charge cyclique soit contre-intuitive au courant comprenant sur la fracture de fatigue dans les hydrogels, mais partage la similitude avec le mécanisme du muscle renforçant après la formation, » dit Lin.

Avant la formation, les nanofibers qui composent l'hydrogel sont fait au hasard installés. « Pendant le procédé de formation, ce que nous avons réalisé est que nous alignions les nanofibers, » dit Lin, ajoutant que le cadrage est assimilé à ce qui arrive à un muscle humain sous l'exercice répété. Cette formation a rendu les hydrogels plus intenses et fatigue-résistants. La combinaison des quatre propriétés principales est apparue après environ 1.000 cycles s'étendants, mais certains des hydrogels ont été étirés plus de 30.000 cycles sans décomposition. La résistance à la traction de l'hydrogel qualifié, en direction des fibres alignées, a augmenté par environ 4,3 fois au-dessus de l'hydrogel unstretched.

En même temps, l'hydrogel a expliqué la souplesse douce, et a mis à jour une teneur en hautes eaux de 84 pour cent, les chercheurs trouvés.

Le facteur antifatigue

Les scientifiques se sont tournés vers la microscopie confocale pour jeter un oeil plus attentif aux hydrogels qualifiés, pour voir s'ils pourraient découvrir les raisons derrière leur propriété impressionnante d'anti-fatigue. « Nous mettons ces derniers par des milliers de cycles de charge, ainsi pourquoi ne fait pas elle défaillir ? » Lin dit. « Ce qui nous avons fait est effectuent une perpendiculaire de coupure à ces nanofibers et essayée pour propager une fissure ou des dégâts en ce matériau. »

« Nous avons coloré les fibres sous le microscope pour voir comment ils ont déformé en raison de la coupure, [et avons constaté que] goupiller appelé de fissure de phénomène était responsable de la résistance de fatigue, » Ji dit.

« Dans un hydrogel amorphe, où les réseaux de polymère sont fait au hasard alignés, elle ne prend pas excessive énergie pour les dégâts à l'écart par le gel, » Lin ajoute. « Mais dans les fibres alignées de l'hydrogel, une perpendiculaire de fissure aux fibres « est goupillée » en place et évitée du rallongement parce qu'elle prend beaucoup plus d'énergie à la fracture par les fibres alignées un. »

En fait, les hydrogels qualifiés brisent un seuil célèbre de fatigue, prévu par la théorie de Lac-Thomas, qui propose l'énergie exigée pour rompre un à une seule couche des réseaux amorphes de polymère de ce type qui composent des hydrogels de PVA. Les hydrogels qualifiés sont 10 à 100 fois fatigue-résistants que prévus par la théorie, Zhao et ses collègues conclus.