Ткани кальмара и химия объединяются для создания универсальных гидрогелей

Исследователи из Университета Хоккайдо в Японии объединили натуральные ткани кальмаров с синтетическими полимерами, чтобы разработать прочный и универсальный гидрогель, который имитирует многие уникальные свойства биологических тканей. Гидрогели представляют собой полимерные сети, содержащие большое количество воды, и изучаются для многих применений, включая медицинские протезы, мягкие роботизированные компоненты и новые сенсорные системы.

Команда Хоккайдо сообщает о своем вкладе в эту быстро развивающуюся область исследований в журнале. NPG Азия Материалы.

Природные биологические ткани обладают уникальными свойствами, необходимыми для их функций, которые исследователи стремятся воспроизвести в гидрогелях. Мышцы, например, помимо силы и гибкости, обладают физическими свойствами, которые различаются в разных направлениях и построены из иерархии структур, работающих вместе. Кости и кровеносные сосуды также демонстрируют эти особенности, известные как иерархическая анизотропия.

В отличие от натуральных тканей, которые исследователи хотят имитировать, большинство синтетических гидрогелей имеют одинаковые свойства во всех направлениях и структурно слабы.

«Объединив свойства тканей, полученных из кальмаров, с синтетическими полимерами, мы продемонстрировали гибридную стратегию, которая служит общим методом для получения гидрогелей с полезной иерархической анизотропией, а также прочностью», — говорит ученый-полимерист Тасуку Накадзима из команды Университета Хоккайдо.

Производственный процесс начинается с имеющейся в продаже замороженной мантии кальмара — основной внешней части кальмара. У живых кальмаров мантия расширяется, чтобы набрать воду в тело, а затем сильно сжимается, выбрасывая воду наружу в виде струи. Эта способность зависит от анизотропных мышц соединительной ткани кальмара. Исследователи воспользовались преимуществами молекулярных механизмов в этой естественной системе, чтобы создать свой биоимитирующий гель.

Химическая и термическая обработка тонких срезов размороженной ткани кальмара в смеси с молекулами полиакриламидного полимера инициировала формирование сшитого гибридного гидрогеля. Он имеет то, что известно как структура двойной сети, с синтетической полимерной сетью, встроенной и связанной с более естественной сетью мышечных волокон, полученной из мантии кальмара.

«Синтезированный нами DN-гель намного прочнее и эластичнее, чем натуральная мантия кальмара», — объясняет профессор Цзянь Пинг Гонг, возглавлявший команду. «Уникальная композитная структура также делает материал впечатляюще устойчивым к разрушению, в четыре раза более прочным, чем исходный материал».

Текущая работа по проверке концепции должна стать только началом изучения многих других гибридных гидрогелей, которые могут использовать уникальные свойства других природных систем. Медузы уже использовались в качестве источника материала для более простых гидрогелей с одной сетью, поэтому они являются очевидным следующим выбором для изучения вариантов гибридных двойных сетей.

«Возможные применения включают несущие искусственные волокнистые ткани, такие как искусственные связки и сухожилия, для медицинских целей», — говорит Гонг. Дальнейшая работа группы будет посвящена изучению биосовместимости гелей и изучению возможностей создания ряда гелей, подходящих для различных целей.