211service.com
Tilpasningsbar polymer inspireret af havagurker
Forskere ved Case Western University har lavet en biopolymer, der hurtigt skifter mellem stive og fleksible tilstande, ved hjælp af materiale inspireret af havagurker. Det nye materiale blødgøres i nærvær af et vandbaseret opløsningsmiddel, og det stivner igen, når opløsningsmidlet fordamper. Christoph Weder, ledende forsker og professor i makromolekylær videnskab og teknik, siger, at et sådant materiale kan være nyttigt i design af implanterbare elektroder, der er i stand til at registrere hjerneaktivitet over lange stræk af tid, med minimal ardannelse sammenlignet med konventionelle elektroder.
Smart polymer: Havagurker inspirerede designet af en ny nano-komposit, der hurtigt skifter fra hård til blød. Det nye materiale kunne finde anvendelse i neurale mikroelektroder.
En af udfordringerne for forskere, der udvikler neurale implantater til at hjælpe lammede patienter, er, at elektroderne typisk er lavet af metal. Sådant sprødt og stift materiale kan forårsage vævsskade over tid. (Se strækbar elektronisk hud.) Faktisk gnider elektrodens hårde ydre mod blødt hjernestof, hvilket får arvæv til at dannes og reducerer elektrodens optageevne betydeligt. Vi har brug for en ny generation af elektroder, der er anderledes end de sædvanlige metalelektroder, der producerer alle mulige skader efter et stykke tid og ikke virker længere, siger professor ved MIT-instituttet Emilio Bizzi, som ikke var involveret i undersøgelsen.
For at overvinde dette problem ledte Weder og hans kolleger efter biokompatible materialer, der kunne forvandle sig fra stive til fleksible tilstande, og de fandt en ideel model i havagurken. Når en søagurk manøvrerer sig hen over havbunden, gør dens bøjelige struktur det nemt at orme sig gennem revner og sprækker. Ved det første tegn på fare stivner dens hud og danner en stiv rustning mod sandsynlige rovdyr. Forskere har fundet ud af, at havagurkens hud er sammensat af et ultrafint netværk af cellulosefibre eller knurhår. I defensiv tilstand frigiver omgivende celler molekyler, der får knurhårene til at binde sig sammen og danner et stift skjold. I en afslappet tilstand frigiver andre celler blødgørende proteiner, løsner fibre og gør huden smidig.
Weders team isolerede stive cellulosefibre fra kapperne på sækdyr, havdyr med hud, der ligner havagurker. Forskerne kombinerede derefter fibrene med en gummiagtig polymerblanding. Fibrene dannede en ensartet matrix hele vejen igennem, hvilket forstærkede det blødere polymermateriale. Disse skærende punkter holder netværket sammen og skaber et ufleksibelt materiale. Det er som et tredimensionelt net, hvor disse nanofibre overlapper hinanden på bestemte punkter, og hvor end de overlapper, klæber de til hinanden, siger Weder.
Multimedier
Se havagurken og de materialer, den inspirerede til.
Han fortæller, at cellulosefibre er særligt gode til at binde sig til hinanden, fordi de indeholder mange hydroxylgrupper på deres overflade. I fravær af et andet hydrogenholdigt molekyle klæber disse hydroxylgrupper sammen og danner et fibrøst væv. For at bryde fiberbindingerne og løsne nettet sprøjtede Weders team et vandbaseret opløsningsmiddel ind i materialet, der indeholdt konkurrerende brintgrupper. Som svar blev cellulosefibre afkoblet som deres brintgrupper kombineret med vandopløsningen. Efterhånden som vandet fordampede fra blandingen, blev fibrene tilkoblet igen og blev igen stive.
I den stive tilstand er materialet som en hård, stiv plastik, ligesom dit cd-hus, siger Weder. Når materialet bliver blødt, er det mere som en gummi. Han siger, at hvis et sådant materiale blev brugt til at designe neurale elektroder, kunne det konstrueres til at reagere på væske i hjernen og blive blødgjort, når det kommer i kontakt med nervevæv.
MITs Bizzi siger, at en sådan bøjelig elektrode ville forlænge optagelsestiden i hjernen, som er mulig med neurale implantater, og give værdifulde data til behandling af tilstande som Parkinsons sygdom, Tourettes syndrom og rygmarvsskader. Feltet har brug for ny teknologi for at gøre det muligt at optage i længere tid fra hjernen, siger Bizzi. Hvis det virker, ville det være en gave fra Gud.
Ved elektrodeapplikationer skal materialet kun transformeres én gang, fra stift til blødt, én gang inde i hjernen. Weder siger, at det cellulosebaserede materiale kan bruges til andre applikationer, der kræver skift frem og tilbage fra stiv til blødere tilstand. Man kunne godt tænke sig et smart gips, hvor man gerne vil stivne sit gips, men nu og da vil man gerne bløde det op, så man kan bevæge sin arm, siger Weder. Så i den ansøgning vil du gerne have et vendbart materiale.
Weder tilføjer, at cellulosefibre kan fås fra andre kilder end havagurker, såsom træ og bomuld – en vej, som hans team planlægger at udforske.