Los investigadores de Northwestern Engineering han desarrollado un modelo teórico para diseñar materiales blandos que demuestren propiedades oscilantes autónomas que imitan funciones biológicas. El trabajo podría hacer avanzar el diseño de materiales sensibles utilizados para administrar tratamientos, así como para materiales blandos similares a robots que funcionan de forma autónoma.

El diseño y síntesis de materiales con funciones biológicas requiere un delicado equilibrio entre la forma estructural y la función fisiológica. Durante el desarrollo embrionario, por ejemplo, láminas planas de células embrionarias se transforman a través de una serie de pliegues en intrincadas estructuras tridimensionales como ramas, tubos, y surcos. Estas, Sucesivamente, volverse dinámico, bloques de construcción tridimensionales para órganos que realizan funciones vitales como los latidos del corazón, absorción de nutrientes, o procesamiento de información por parte del sistema nervioso.

Tales procesos de formación de formas, sin embargo, están controlados por eventos de señalización química y mecánica, que no se comprenden completamente a nivel microscópico. Para cerrar esta brecha, Los investigadores dirigidos por Mónica Olvera de la Cruz diseñaron sistemas computacionales y experimentales que imitan estas interacciones biológicas. Hidrogeles, una clase de materiales poliméricos hidrófilos, han surgido como candidatos capaces de reproducir cambios de forma tras la estimulación química y mecánica observada en la naturaleza.

Los investigadores desarrollaron un modelo teórico para una capa a base de hidrogel que experimentó cambios morfológicos autónomos cuando fue inducida por reacciones químicas.

"Descubrimos que los productos químicos modificaron el microambiente del gel local, permitiendo el hinchamiento y deshinchamiento de materiales a través de tensiones quimio-mecánicas de manera autónoma, "dijo de la Cruz, Abogado Taylor Catedrático de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick. "Esto generó un cambio morfológico dinámico, incluyendo oscilaciones periódicas que recuerdan los latidos del corazón que se encuentran en los sistemas vivos ".

Un papel, titulado "Formación de patrones controlados químicamente en conchas elásticas auto-oscilantes, "se publicó el 1 de marzo en la revista PNAS . Siyu Li y Daniel Matoz-Fernandez, becarios postdoctorales en el laboratorio de Olvera de la Cruz, fueron los primeros coautores del artículo.

En el estudio, los investigadores diseñaron una capa polimérica que responde a los productos químicos y que pretende imitar la materia viva. Aplicaron las propiedades mecánicas a base de agua de la capa de hidrogel a una especie química, una sustancia química que produce un comportamiento modelado específico; en este caso, oscilaciones en forma de onda, ubicadas dentro del caparazón. Después de realizar una serie de reacciones de reducción-oxidación, una reacción química que transfiere electrones entre dos especies químicas, la capa genera microcompartimentos capaces de expandirse o contraerse, o inducir un comportamiento de pandeo-desabrochado cuando se introdujo la inestabilidad mecánica.

"Acoplamos la respuesta mecánica del hidrogel a los cambios en la concentración de las especies químicas dentro del gel como un circuito de retroalimentación, ", Dijo Matoz-Fernandez." Si el nivel de sustancias químicas supera un cierto umbral, el agua se absorbe, hinchazón del gel. Cuando el gel se hincha, la especie química se diluye, desencadenando procesos químicos que expulsan el agua del gel, por lo tanto, contrae el gel ".

El modelo de los investigadores podría utilizarse como base para desarrollar otros materiales blandos que demuestren diversos cambios morfológicos dinámicos. Esto podría conducir a nuevas estrategias de administración de fármacos con materiales que mejoren la tasa de difusión de sustancias químicas compartimentadas o liberen cargas a tasas específicas.

"Uno podria, en principio, Diseñar microcompartimentos catalíticos que se expanden y contraen para absorber o liberar componentes a una frecuencia específica. Esto podría llevar a terapias basadas en el tiempo para tratar enfermedades, "Dijo Li.

El trabajo también podría informar el desarrollo futuro de materiales blandos con funcionalidad similar a un robot que operan de forma autónoma. Estos 'robótica blanda' han surgido como candidatos para apoyar la producción química, herramientas para tecnologías medioambientales, o biomateriales inteligentes para la medicina. Sin embargo, los materiales se basan en estímulos externos, como la luz, funcionar.

"Nuestro material funciona de forma autónoma, por lo que no hay ningún control externo involucrado, "Dijo Li." Al 'pinchar' el caparazón con una reacción química, tú disparas el movimiento ".

Los investigadores planean aprovechar sus hallazgos y cerrar aún más la brecha entre lo que es posible en la naturaleza y el laboratorio de ciencias.

“El objetivo a largo plazo es crear hidrogeles autónomos que puedan realizar funciones complejas desencadenadas por pistas tan simples como una deformación mecánica local, "Dijo Olvera de la Cruz.