Kunstspier kan zichzelf genezen

Materiaalwetenschappers zouden doden om een ​​materiaal te kunnen produceren dat zo verbazingwekkend is als biologische spieren, die zich op commando kunnen terugtrekken, zonder schade met ongeveer 70% kunnen uitrekken en zijn eigen kerven en tranen kunnen genezen. Nu zeggen onderzoekers dat ze dichterbij komen met een synthetisch materiaal dat al deze dingen kan doen, hoewel niet zo goed als natuurlijke spieren. Het voorschot zou ooit nuttig kunnen zijn in robotica en protheses.

Het concept van een kunstmatige spier dateert al decennia. Onderzoekers hebben talloze verschillende uitgangsmaterialen voorgesteld, van atomaire dikke buizen koolstof genaamd nanobuisjes tot keramiek tot metaallegeringen. In 2000 toonden wetenschappers aan dat sommige rubberachtige polymeren, elastomeren genaamd, omkeerbaar tot drie keer hun lengte kunnen worden uitgerekt door een spanning over hen aan te leggen. Zoals bijna alle synthetische materialen, hadden deze elastomeren echter iemand nodig om ze te repareren als ze beschadigd waren. Afzonderlijk werkend, hebben andere wetenschappers elastomeren gebruikt als basis voor zelfherstellende polymeren - materialen die tranen kunnen repareren, gaten dichten en zelfs snijranden kunnen verbinden. De meeste hiervan waren echter vrij zwak en misten elasticiteit, waardoor ze slechte kunstmatige spieren waren. En niemand heeft een kunstmatige spier geproduceerd die zichzelf kan repareren.

Tot nu toe is dat zo. Materiaalchemicus Zhenan Bao van de Stanford University in Palo Alto, Californië, en collega's onthullen vandaag in Nature Chemistry een groep elastomeren genaamd Fe-Hpdca-PDMS. Het materiaal omvat lange, willekeurig verwarde polymeerketens die silicium, zuurstof, stikstof en koolstofatomen bevatten gemengd met een ijzerzout. Het ijzer vormt chemische bindingen met de zuurstof en de stikstofatomen in het polymeer en verbindt de polymeerketens zowel met zichzelf als met elkaar, zoals strengen verbonden met elastische banden op de kruispunten. Deze verknopingen voorkomen niet dat de polymeerketens helemaal bewegen, zodat het materiaal kan rekken. Maar de crosslinks verhinderen dat de kettingen volledig vrij glijden. Om het materiaal van vorm te laten veranderen, moeten de crosslinks worden uitgerekt, vervormd en soms gebroken en opnieuw worden gerangschikt. Wanneer het materiaal is uitgerekt, keren de crosslinks terug naar hun oorspronkelijke vorm, waardoor het materiaal zowel sterkte als elasticiteit krijgt.

Dan is er de zelfgenezing. Als je een gat in het materiaal prikt, worden ijzeratomen aan de ene kant van het gat aangetrokken tot zuurstof- en stikstofatomen aan de andere kant, waardoor atoombindingen worden hervormd en het gat binnen 72 uur wordt gesloten. Zelfs wanneer de onderzoekers de polymeren in twee afzonderlijke stukken snijden, kwamen de uiteinden van de gesneden randen bijna perfect samen als ze in contact werden geplaatst, waarbij ze bijna al hun sterkte en 90% van hun rekbaarheid herstelden, zelfs bij temperaturen zo laag als -20 ° C.

Toen de onderzoekers een elektrisch veld over de polymeren aanbrachten (vergelijkbaar met hoe spierweefsel wordt geactiveerd), nam de lengte van het materiaal snel toe met ongeveer 2%. Toen het veld werd uitgeschakeld, keerde het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke grootte.

Een opmerkelijke zwakte van het materiaal is dat de verandering in grootte nadat het elektrische veld was aangebracht nog steeds klein is: hoewel het materiaal normaal tot 45 keer zijn oorspronkelijke lengte kan worden uitgerekt en nog steeds naar zijn oorspronkelijke vorm terugkeert, verandert zijn grootte wanneer het veld was ingeschakeld was veel kleiner dan dat van echte spieren (die tot 40% kunnen verkorten). Dit zou betekenen dat die robotpoten bijna niet zo goed konden buigen als natuurlijke.

In ons geval was het doel niet om de beste kunstmatige spier te maken, maar om nieuwe regels voor het ontwerpen van materialen voor rekbare en zelfherstellende materialen te ontwikkelen, legt Bao uit. Kunstmatige spier is een mogelijke toepassing voor onze materialen. Het team van Bao is nu bezig met het plannen van verdere werkzaamheden om de effecten van elektrische velden te vergroten.

Het is zeer interessant en uiterst elegant werk, zegt polymeerchemicus Marek Urban van Clemson University in South Carolina. Hij zegt dat het polymeer uiteindelijk zou kunnen worden gebruikt om de synthetische spieren te maken die nodig zijn om kunstmatige ledematen te verplaatsen, hetzij om ontbrekende voor ledematen te vervangen of om robots in staat te stellen dingen te verplaatsen zoals een mens dat kan. Hij zegt ook dat het materiaal mogelijk andere toepassingen heeft. Materialen die uitzetten en samentrekken als reactie op een elektrisch veld worden vaak gebruikt als druk- of reksensoren, soms zelfcorrigerend. Zelfherstel kan nuttig zijn wanneer sensoren in extreme omstandigheden moeten worden geplaatst, zoals in de ruimte, waar reparatie soms moeilijk of onmogelijk is. "Als een materiaal in een omgeving moet worden geplaatst waar de kans bestaat op schade [en] dat materiaal zichzelf herstelt, is dat een enorm voordeel, " zegt Urban.