211service.com
Adaptabilní polymer inspirovaný mořskými okurkami
Vědci z Case Western University vyrobili biopolymer, který rychle přepíná mezi tuhým a pružným stavem, pomocí materiálu inspirovaného mořskými okurkami. Nový materiál měkne v přítomnosti rozpouštědla na vodní bázi a při odpařování rozpouštědla opět tuhne. Christoph Weder, vedoucí výzkumník a profesor makromolekulární vědy a inženýrství, říká, že takový materiál může být užitečný při návrhu implantabilních elektrod schopných zaznamenávat mozkovou aktivitu po dlouhou dobu, s minimálním zjizvením ve srovnání s běžnými elektrodami.
Chytrý polymer: Mořské okurky inspirovaly design nového nanokompozitu, který se rychle mění z tvrdého na měkký. Nový materiál by mohl najít využití v nervových mikroelektrodách.
Jednou z výzev, kterým čelí výzkumníci vyvíjející neurální implantáty na pomoc paralyzovaným pacientům, je to, že elektrody jsou obvykle vyrobeny z kovu. Takový křehký a tuhý materiál může časem způsobit poškození tkáně. (Viz Stretchable Electronic Skin.) Během několika měsíců se tvrdý vnější povrch elektrody otírá o měkkou mozkovou hmotu, což způsobuje tvorbu jizvy a výrazně snižuje schopnost elektrody zaznamenávat. Potřebujeme novou generaci elektrod, které se liší od běžných kovových elektrod, které po chvíli způsobí nejrůznější poškození a už nefungují, říká profesor institutu MIT Emilio Bizzi, který se na studii nepodílel.
Aby tento problém překonali, hledali Weder a jeho kolegové biokompatibilní materiály, které by se mohly přeměnit z tuhého na flexibilní stavy, a našli ideální model v mořské okurce. Když se mořská okurka pohybuje po dně oceánu, její poddajná struktura usnadňuje pronikání trhlinami a štěrbinami. Při prvním náznaku nebezpečí jeho kůže ztuhne a vytvoří pevné brnění proti pravděpodobným predátorům. Vědci zjistili, že slupka mořské okurky se skládá z ultrajemné sítě celulózových vláken neboli vousů. V obranném režimu okolní buňky uvolňují molekuly, které způsobí, že se vousy spojí dohromady a vytvoří pevný štít. V uvolněném stavu ostatní buňky uvolňují plastifikující proteiny, uvolňují vlákna a činí pokožku pružnou.
Wederův tým izoloval tuhá celulózová vlákna z plášťů pláštěnců, mořských tvorů s kůží podobnou kůži mořských okurek. Vědci poté spojili vlákna s pryžovou polymerní směsí. Vlákna tvořila stejnoměrnou matrici v celém rozsahu, zpevňující měkčí polymerní materiál. Tyto protínající se body drží síť pohromadě a vytvářejí neohebný materiál. Je to jako trojrozměrná pavučina, ve které se tato nanovlákna v určitých bodech překrývají, a kdekoli se překrývají, lepí se k sobě, říká Weder.
Multimédia
Podívejte se na mořskou okurku a materiály, které inspirovala.
Říká, že celulózová vlákna jsou zvláště dobrá ve vzájemné vazbě, protože na svém povrchu obsahují mnoho hydroxylových skupin. V nepřítomnosti jakékoli jiné molekuly obsahující vodík se tyto hydroxylové skupiny slepí a vytvoří vláknitou síť. Aby se přerušily vazby vláken a uvolnily pavučiny, Wederův tým vstříkl do materiálu, který obsahoval konkurenční vodíkové skupiny, rozpouštědlo na vodní bázi. V reakci na to se celulózová vlákna odpojila, když se jejich vodíkové skupiny spojily s vodním roztokem. Střídavě, jak se voda ze směsi odpařovala, vlákna se znovu spojovala a opět ztuhla.
V tuhém stavu je materiál jako tvrdý, tuhý plast, podobně jako vaše pouzdro na CD, říká Weder. Když materiál změkne, je to spíše guma. Říká, že pokud by se takový materiál použil k návrhu neurálních elektrod, mohl by být navržen tak, aby reagoval na tekutinu v mozku a změkčoval, když přichází do kontaktu s nervovou tkání.
Bizzi z MIT říká, že taková ohebná elektroda by prodloužila dobu záznamu v mozku, která je možná s neurálními implantáty, a poskytla by cenná data pro léčbu stavů, jako je Parkinsonova choroba, Tourettův syndrom a poranění míchy. Toto pole potřebuje novou technologii, aby bylo možné nahrávat z mozku po delší dobu, říká Bizzi. Pokud by to fungovalo, byl by to dar z nebes.
Při použití elektrod by se materiál musel transformovat pouze jednou, z tuhého na měkký, jednou uvnitř mozku. Weder říká, že materiál na bázi celulózy může být použit pro jiné aplikace, které vyžadují posun tam a zpět z tuhého stavu do měkčího. Mohli byste uvažovat o chytrém sádru, kde byste chtěli sádru zpevnit, ale tu a tam ji chcete změkčit, abyste mohli hýbat paží, říká Weder. Takže v této aplikaci byste chtěli oboustranný materiál.
Weder dodává, že celulózová vlákna lze získat z jiných zdrojů, než jsou mořské okurky, jako je dřevo a bavlna – cestu, kterou jeho tým plánuje prozkoumat.