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L'addestramento meccanico fa gli idrogel sintetici eseguire più simile al muscolo

I muscoli scheletrici umani hanno una combinazione unica di beni che i ricercatori dei materiali cercano per le loro proprie creazioni. Sono forti, molli, pieni dell'acqua e resistenti a fatica. Un nuovo studio dai ricercatori del MIT ha trovato un modo dare ad idrogel sintetici questo pacchetto totale delle caratteristiche: facendole passare con un allenamento vigoroso.

In particolare, gli scienziati hanno preparato meccanicamente gli idrogel allungandoli in un bagnomaria. E proprio come con i muscoli scheletrici, i rep al ripagato “della palestra„. L'addestramento ha allineato i nanofibers dentro gli idrogel per produrre un forte, una morbidezza ed ha idratato il materiale che resiste alla ripartizione o alla fatica sopra migliaia di movimenti ripetitivi.

Gli idrogel dell'alcool polivinilico (PVA) preparati nell'esperimento sono biomateriali ben noti che i ricercatori usano per gli innesti medici, drogano i rivestimenti ed altre applicazioni, dice Xuanhe Zhao, un professore associato dell'ingegneria meccanica al MIT. “Ma uno con questi quattro beni importanti non è stato progettato o fabbricato finora.„

In loro articolo, pubblicato questa settimana negli atti dell'Accademia nazionale delle scienze, Zhao ed i suoi colleghi descrivono come gli idrogel anche possono essere 3-D-printed in varie forme che possono essere preparate per sviluppare la serie dei beni del tipo di muscolo.

In futuro, i materiali potrebbero essere utilizzati in innesti quali “le valvole cardiache, le sostituzioni della cartilagine ed i dischi spinali come pure nelle applicazioni di assistenza tecnica quali i robot molli,„ Zhao dice.

Altri autori del MIT sul documento includono il dottorando Shaoting Lin, il postdoc Ji Liu ed il dottorando Xunyue Liu nel laboratorio di Zhao.

Preparandosi per la resistenza e più

I tessuti naturali portanti eccellenti quali i muscoli e le valvole cardiache sono un bioinspiration ai ricercatori dei materiali, ma è stato molto provocatorio progettare i materiali che catturano simultaneamente tutti i loro beni, Zhao dice.

Per esempio, si può progettare un idrogel con le fibre altamente state allineate per dargli la resistenza, ma non può essere flessibile come muscolo, o non può avere il contenuto idrico che lo rende compatibile per uso in esseri umani. “La maggior parte dei tessuti nel corpo umano contengono circa 70 per cento dell'acqua, in modo da se vogliamo impiantare un biomateriale nell'organismo, un contenuto idrico più elevato è più desiderabile per molte applicazioni nell'organismo,„ Zhao spiega.

La scoperta che l'addestramento meccanico potrebbe produrre un idrogel del tipo di muscolo era qualcosa di un incidente, dice Lin, l'autore principale dello studio di PNAS. Il gruppo di ricerca stava eseguendo le prove di caricamento meccaniche cicliche sugli idrogel, provanti a trovare il punto di fatica in cui gli idrogel comincerebbero a ripartire. Sono stati sorpresi invece trovare che l'addestramento ciclico realmente stava rinforzando gli idrogel.

“Il fenomeno di rafforzamento negli idrogel dopo caricamento ciclico è controintuitivo alla comprensione corrente sulla rottura per fatica in idrogel, ma azioni la similarità con il meccanismo del muscolo che rinforza dopo la formazione,„ dice Lin.

Prima della formazione, i nanofibers che compongono l'idrogel sono orientati a caso. “Durante il trattamento di addestramento, che cosa abbiamo realizzato è che stavamo allineando i nanofibers,„ dice Lin, aggiungente che l'allineamento è simile a che cosa accade ad un muscolo umano nell'ambito dell'esercizio ripetuto. Questo addestramento ha reso gli idrogel più forti e fatica-resistenti. La combinazione dei quattro beni chiave è comparso dopo circa 1.000 cicli d'allungamento, ma alcuni degli idrogel sono stati allungati oltre 30.000 cicli senza ripartire. La resistenza alla trazione dell'idrogel preparato, in direzione delle fibre state allineate, è aumentato entro circa 4,3 volte sopra l'idrogel unstretched.

Allo stesso tempo, l'idrogel ha dimostrato la flessibilità morbida ed ha mantenuto un contenuto idrico di alta marea di 84 per cento, i ricercatori trovati.

Il fattore antifatigue

Gli scienziati si sono girati verso microscopia confocale per dare uno sguardo più attento agli idrogel preparati, per vedere se potessero scoprire le ragioni dietro i loro beni impressionanti di anti-fatica. “Mettiamo questi con migliaia di cicli del caricamento, in modo da perché non fanno venire a mancare?„ Lin dice. “Che cosa abbiamo fatto è fanno un perpendicolare del taglio a questi nanofibers e provato per propagare una crepa o un danno in questo materiale.„

“Abbiamo tinto le fibre sotto il microscopio per vedere come hanno deformato come conseguenza del taglio, [ed abbiamo trovato che] un fenomeno chiamato appuntare della crepa era responsabile della resistenza di fatica,„ Ji dice.

“In un idrogel amorfo, in cui le catene del polimero sono state allineate a caso, non cattura troppa energia per danneggiamento della diffusione attraverso il gel,„ Lin aggiunge. “Ma nelle fibre state allineate dell'idrogel, un perpendicolare della crepa alle fibre “è appuntato„ sul posto ed è impedito l'allungamento perché cattura molto più energia alla frattura attraverso le fibre state allineate uno per uno.„

Infatti, gli idrogel preparati rompono una soglia famosa di fatica, preveduta dalla teoria di Lago-Thomas, che propone l'energia richiesta per fratturare un a un solo strato delle catene amorfe del polimero come quelli che compongono gli idrogel di PVA. Gli idrogel preparati sono 10 - 100 volte fatica-più resistenti di quanto preveduti dalla teoria, da Zhao e dai suoi colleghi conclusivi.