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O treinamento mecânico faz hydrogels sintéticos executar mais como o músculo

Os músculos esqueletais humanos têm uma combinação original de propriedades que os pesquisadores dos materiais procuram para suas próprias criações. São fortes, macios, completos da água, e resistentes à fadiga. Um estudo novo por pesquisadores do MIT encontrou uma maneira de dar a hydrogels sintéticos este pacote total das características: passando os com um exercício vigoroso.

Em particular, os cientistas treinaram mecanicamente os hydrogels esticando os em um banho maria. E tal como com os músculos esqueletais, os reps no “gym” pagaram fora. O treinamento alinhou nanofibers dentro dos hydrogels para produzir um forte, um delicado, e hidratou o material que resiste a divisão ou a fadiga sobre milhares de movimentos repetitivos.

Os hydrogels do álcool de polyvinyl (PVA) treinados na experiência são os matérias biológicos conhecidos que os pesquisadores usam para implantes médicos, drogam revestimentos, e outras aplicações, dizem Xuanhe Zhao, um professor adjunto da engenharia mecânica no MIT. “Mas um com estas quatro propriedades importantes não foi projetado ou manufacturado até aqui.”

Em seu papel, publicado esta semana nas continuações da Academia Nacional das Ciências, Zhao e seus colegas descrevem como os hydrogels igualmente podem ser 3-D-printed em uma variedade de formas que podem ser treinadas para desenvolver a série músculo-como de propriedades.

No futuro, os materiais puderam ser usados nos implantes tais como de “válvulas coração, substituições da cartilagem, e discos espinais, assim como em aplicações da engenharia tais como robôs macios,” Zhao diz.

Outros autores do MIT no papel incluem o aluno diplomado Shaoting Lin, o postdoc Ji Liu, e o aluno diplomado Xunyue Liu no laboratório de Zhao.

Formação para a força e o mais

Os tecidos naturais do carga-rolamento excelente tais como os músculos e as válvulas de coração são um bioinspiration aos pesquisadores dos materiais, mas foi muito desafiante projectar os materiais que capturam todas suas propriedades simultaneamente, Zhao diz.

Por exemplo, se pode projectar um hydrogel com fibras altamente alinhadas dar-lhe a força, mas não pode ser tão flexível quanto um músculo, ou não pode ter o índice de água que faz compatível para o uso nos seres humanos. “A maioria dos tecidos no corpo humano contêm aproximadamente 70 por cento de água, assim que se nós queremos implantar um matéria biológico no corpo, um índice de água mais alta é mais desejável para muitas aplicações no corpo,” Zhao explica.

A descoberta que o treinamento mecânico poderia produzir a músculo-como o hydrogel era algo de um acidente, diz Lin, autor principal do estudo de PNAS. A equipa de investigação tem executado testes de carga mecânicos cíclicos nos hydrogels, tentando encontrar o ponto da fadiga onde os hydrogels começariam a dividir. Foram surpreendidos pelo contrário encontrar que o treinamento cíclico reforçava realmente os hydrogels.

“O fenômeno do reforço nos hydrogels após a carga cíclica é counterintuitive à compreensão actual na fractura de fadiga nos hydrogels, mas partes a similaridade com o mecanismo do músculo que reforça após a formação,” diz Lin.

Antes de treinar, os nanofibers que compo o hydrogel são orientados aleatòria. “Durante o processo do treinamento, o que nós realizamos é que nós alinhávamos os nanofibers,” diz Lin, adicionando que o alinhamento é similar ao que acontece a um músculo humano sob o exercício repetido. Este treinamento fez os hydrogels mais fortes e fadiga-resistentes. A combinação das quatro propriedades chaves apareceu após aproximadamente 1.000 ciclos de esticão, mas alguns dos hydrogels foram esticados sobre 30.000 ciclos sem dividir. A resistência à tracção do hydrogel treinado, na direcção das fibras alinhadas, aumentou em aproximadamente 4,3 vezes sobre o hydrogel unstretched.

Ao mesmo tempo, o hydrogel demonstrou a flexibilidade macia, e manteve um índice de ponto alto de 84 por cento, pesquisadores encontrados.

O factor antifatigue

Os cientistas giraram para a microscopia confocal para olhar um olhar mais atento os hydrogels treinados, para ver se poderiam descobrir as razões atrás de sua propriedade impressionante da anti-fadiga. “Nós passamos estes com os milhares de ciclos da carga, assim que porque não faz falha?” Lin diz. “O que nós fizemos é fazem uma perpendicular do corte a estes nanofibers e tentada propagar uma rachadura ou um dano neste material.”

“Nós tingimos as fibras sob o microscópio para ver como se deformaram em conseqüência do corte, [e encontramos que] um fenômeno chamado fixar da rachadura era responsável para a resistência da fadiga,” Ji diz.

“Em um hydrogel amorfo, onde as correntes do polímero sejam alinhadas aleatòria, não toma demasiada energia para dano à propagação através do gel,” Lin adiciona. “Mas nas fibras alinhadas do hydrogel, uma perpendicular da rachadura às fibras “é fixada” no lugar e impedida do alongamento porque toma muito mais energia à fractura através das fibras alinhadas um por um.”

De facto, os hydrogels treinados quebram um ponto inicial famoso da fadiga, previsto pela teoria de Lago-Thomas, que propor a energia exigida para fracturar uma única camada de correntes amorfas do polímero tais como aqueles que compo hydrogels de PVA. Os hydrogels treinados são 10 a 100 vezes fadiga-mais resistentes do que previstos pela teoria, por Zhao e por seus colegas concluídos.