Un nuevo material que se adapta naturalmente a los entornos cambiantes se inspiró en la fuerza, estabilidad, y funcionamiento mecánico de la mandíbula de un gusano marino. El material proteico, que fue diseñado y modelado por investigadores del Laboratorio de Mecánica Atomística y Molecular (LAMM) en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE), y sintetizado en colaboración con el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson, Ohio, se expande y contrae en función de los cambios en los niveles de pH y las concentraciones de iones. Fue desarrollado mediante el estudio de cómo la mandíbula de Nereis virens, un gusano de arena, se forma y se adapta a diferentes entornos.

El material sensible al pH y a los iones resultante es capaz de responder y reaccionar a su entorno. Comprender este proceso que ocurre naturalmente puede ser particularmente útil para el control activo del movimiento o la deformación de los actuadores para sensores y robótica suave sin utilizar una fuente de alimentación externa o dispositivos de control electrónicos complejos. También podría usarse para construir estructuras autónomas.

"La capacidad de alterar drásticamente las propiedades del material, cambiando su estructura jerárquica comenzando en el nivel químico, ofrece nuevas y emocionantes oportunidades para afinar el material, y construir sobre el diseño de materiales naturales hacia nuevas aplicaciones de ingeniería, "escribió Markus J. Buehler, el profesor de ingeniería de McAfee, jefe de CEE, y autor principal del artículo.

La investigación, publicado recientemente en ACS Nano , muestra que dependiendo de los iones y los niveles de pH en el medio ambiente, el material proteico se expande y contrae en diferentes patrones geométricos. Cuando las condiciones cambien de nuevo, el material vuelve a su forma original. Esto lo hace particularmente útil para materiales compuestos inteligentes con mecánicas ajustables y roboticistas autoamplificados que utilizan el valor de pH y la condición de iones para cambiar la rigidez del material o generar deformaciones funcionales.

Encontrar inspiración en los fuertes mandíbula estable de un gusano marino

Con el fin de crear materiales bioinspirados que se puedan utilizar para la robótica blanda, sensores, y otros usos, como el inspirado por Nereis, los ingenieros y científicos de LAMM y AFRL necesitaban comprender primero cómo se forman estos materiales en el gusano Nereis, y cómo se comportan en última instancia en varios entornos. Esta comprensión implicó el desarrollo de un modelo que abarca todas las diferentes escalas de longitud desde el nivel atómico, y es capaz de predecir el comportamiento material. Este modelo ayuda a comprender completamente el gusano Nereis y su fuerza excepcional.

"Trabajar con AFRL nos dio la oportunidad de combinar nuestras simulaciones atomísticas con experimentos, ", dijo el científico investigador de Europa central y oriental, Francisco Martín-Martínez. AFRL sintetizó experimentalmente un hidrogel, un material similar a un gel hecho principalmente de agua, que se compone de la proteína Nvjp-1 recombinante responsable de la estabilidad estructural y el impresionante rendimiento mecánico de la mandíbula Nereis. El hidrogel se utilizó para probar cómo la proteína se contrae y cambia su comportamiento en función del pH y los iones del medio ambiente.

La mandíbula de Nereis está compuesta principalmente de materia orgánica, lo que significa que es un material de proteína blanda con una consistencia similar a la gelatina. A pesar de esto, su fuerza, que se ha informado que tiene una dureza que oscila entre 0,4 y 0,8 gigapascales (GPa), es similar a la de materiales más duros como la dentina humana. "Es bastante notable que este material de proteína blanda, con una consistencia similar a la gelatina, puede ser tan fuerte como los minerales calcificados que se encuentran en la dentina humana y materiales más duros como los huesos, "Dijo Buehler.

En el MIT, los investigadores observaron la composición de la mandíbula Nereis a escala molecular para ver qué hace que la mandíbula sea tan fuerte y adaptable. A esta escala, los enlaces cruzados coordinados con metal, la presencia de metal en su estructura molecular, Proporcionar una red molecular que hace que el material sea más fuerte y, al mismo tiempo, hace que el enlace molecular sea más dinámico. y finalmente capaz de responder a las condiciones cambiantes. A escala macroscópica, estos enlaces dinámicos metal-proteína dan como resultado un comportamiento de expansión / contracción.

Combinando los estudios estructurales de proteínas de AFRL con la comprensión molecular de LAMM, Buehler, Martín-Martínez, Científico investigador de la CEE Zhao Qin, y ex estudiante de doctorado Chia-Ching Chou '15, creó un modelo multiescala que es capaz de predecir el comportamiento mecánico de los materiales que contienen esta proteína en diversos entornos. "Estas simulaciones atomísticas nos ayudan a visualizar los arreglos atómicos y las conformaciones moleculares que subyacen al desempeño mecánico de estos materiales, ", Dijo Martín-Martínez.

Específicamente, utilizando este modelo que el equipo de investigación pudo diseñar, prueba, y visualizar cómo las diferentes redes moleculares cambian y se adaptan a varios niveles de pH, teniendo en cuenta las propiedades biológicas y mecánicas.

Al observar la composición molecular y biológica de los Nereis virens y utilizar el modelo predictivo del comportamiento mecánico del material proteico resultante, Los investigadores de LAMM pudieron comprender mejor el material proteico a diferentes escalas y proporcionar una comprensión completa de cómo se forman y se comportan dichos materiales proteicos en diferentes configuraciones de pH. Esta comprensión guía los nuevos diseños de materiales para sensores y robots blandos.

Identificar el vínculo entre las propiedades ambientales y el movimiento del material.

El modelo predictivo explicó cómo los materiales sensibles al pH cambian de forma y comportamiento, que los investigadores utilizaron para diseñar nuevas estructuras geométricas que cambian el pH. Dependiendo de la forma geométrica original probada en el material proteico y las propiedades que lo rodean, Los investigadores de LAMM encontraron que el material forma espirales o toma una forma similar a una concha de Cypraea cuando se cambian los niveles de pH. Estos son solo algunos ejemplos del potencial que podría tener este nuevo material para el desarrollo de robots blandos, sensores, y estructuras autónomas.

Usando el modelo predictivo, El equipo de investigación descubrió que el material no solo cambia de forma, pero también vuelve a su forma original cuando cambian los niveles de pH. A nivel molecular, Los aminoácidos histidina presentes en la proteína se unen fuertemente a los iones en el medio ambiente. Esta reacción química muy local entre los aminoácidos y los iones metálicos tiene un efecto en la conformación general de la proteína a mayor escala. Cuando cambian las condiciones ambientales, las interacciones histidina-metal cambian en consecuencia, que afectan la conformación de la proteína y, a su vez, la respuesta del material.

"Cambiar el pH o cambiar los iones es como accionar un interruptor. Lo enciende o apaga, dependiendo del entorno que seleccione, y el hidrogel se expande o contrae ", dijo Martín-Martínez.

LAMM descubrió que a nivel molecular, la estructura del material proteico se fortalece cuando el ambiente contiene iones de zinc y ciertos niveles de pH. Esto crea enlaces cruzados coordinados con metales más estables en la estructura molecular del material, lo que hace que las moléculas sean más dinámicas y flexibles.

Esta información sobre el diseño del material y su flexibilidad es extremadamente útil para entornos con niveles de pH cambiantes. Su respuesta de cambiar su figura a los niveles de acidez cambiantes podría usarse para robótica suave. "La mayoría de la robótica blanda requiere una fuente de alimentación para impulsar el movimiento y ser controlada por dispositivos electrónicos complejos. Nuestro trabajo hacia el diseño de material multifuncional puede proporcionar otra vía para controlar directamente la propiedad del material y la deformación sin dispositivos electrónicos, "dijo Qin.

Al estudiar y modelar la composición molecular y el comportamiento de la proteína principal responsable de las propiedades mecánicas ideales para el rendimiento de la mandíbula Nereis, Los investigadores de LAMM pueden vincular las propiedades ambientales con el movimiento del material y tienen una comprensión más completa de la fuerza de la mandíbula Nereis.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.