211service.com
Anpassningsbar polymer inspirerad av sjögurkor
Forskare vid Case Western University har gjort en biopolymer som snabbt växlar mellan stela och flexibla tillstånd, med hjälp av material inspirerat av sjögurkor. Det nya materialet mjuknar i närvaro av ett vattenbaserat lösningsmedel, och det stelnar tillbaka när lösningsmedlet avdunstar. Christoph Weder, ledande forskare och professor i makromolekylär vetenskap och teknik, säger att ett sådant material kan vara användbart vid utformningen av implanterbara elektroder som kan registrera hjärnaktivitet under långa tidsperioder, med minimal ärrbildning jämfört med konventionella elektroder.
Smart polymer: Havsgurkor inspirerade designen av en ny nanokomposit som snabbt växlar från hård till mjuk. Det nya materialet kan användas i neurala mikroelektroder.
En av utmaningarna för forskare som utvecklar neurala implantat för att hjälpa förlamade patienter är att elektroderna vanligtvis är gjorda av metall. Sådant sprött och styvt material kan orsaka vävnadsskada med tiden. (Se Stretchable Electronic Skin.) Faktum är att under ett par månader gnider elektrodens hårda utsida mot mjukt hjärnmaterial, vilket gör att ärrvävnad bildas och avsevärt minskar elektrodens inspelningsförmåga. Vi behöver en ny generation av elektroder som är annorlunda än de vanliga metallelektroderna som ger alla möjliga skador efter ett tag och som inte fungerar längre, säger professor Emilio Bizzi vid MIT-institutet, som inte var inblandad i studien.
För att övervinna detta problem letade Weder och hans kollegor efter biokompatibla material som kunde förvandlas från stela till flexibla tillstånd, och de hittade en idealisk modell i sjögurkan. När en sjögurka manövrerar sig över havsbotten gör dess böjliga struktur det lätt att maska sig igenom sprickor och springor. Vid det första tecknet på fara stelnar huden och bildar en styv rustning mot troliga rovdjur. Forskare har funnit att havsgurkans hud består av ett ultrafint nätverk av cellulosafibrer, eller morrhår. I defensivt läge släpper omgivande celler molekyler som gör att morrhåren binder samman och bildar en stel sköld. I ett avslappnat tillstånd släpper andra celler mjukgörande proteiner, lossar fibrer och gör huden böjlig.
Weders team isolerade styva cellulosafibrer från mantlarna på manteldjur, havsdjur med hud som liknar den på sjögurkor. Forskarna kombinerade sedan fibrerna med en gummiartad polymerblandning. Fibrerna bildade en enhetlig matris genomgående, vilket förstärkte det mjukare polymermaterialet. Dessa skärande punkter håller ihop nätverket och skapar ett oflexibelt material. Det är som en tredimensionell väv där dessa nanofibrer överlappar varandra vid vissa punkter, och var de än överlappar varandra, fastnar de vid varandra, säger Weder.
Multimedia
Se sjögurkan och materialen den inspirerade.
Han säger att cellulosafibrer är särskilt bra på att binda med varandra eftersom de innehåller många hydroxylgrupper på sin yta. I frånvaro av någon annan väteinnehållande molekyl klibbar dessa hydroxylgrupper ihop och bildar en fibrös väv. För att bryta fiberbindningarna och lossa banan injicerade Weders team ett vattenbaserat lösningsmedel i materialet som innehöll konkurrerande vätegrupper. Som svar frikopplades cellulosafibrer då deras vätegrupper kombinerades med vattenlösningen. Omväxlande, när vatten avdunstade från blandningen, kopplades fibrerna igen och blev stela igen.
I det styva tillståndet är materialet som en hård, styv plast, ungefär som ditt CD-fodral, säger Weder. När materialet blir mjukt är det mer som ett gummi. Han säger att om ett sådant material användes för att designa neurala elektroder, skulle det kunna konstrueras för att svara på vätska i hjärnan och mjukna upp när det kommer i kontakt med nervvävnad.
MIT:s Bizzi säger att en sådan böjlig elektrod skulle förlänga inspelningstiden i hjärnan som är möjlig med neurala implantat, och ge värdefull data för att behandla tillstånd som Parkinsons sjukdom, Tourettes syndrom och ryggmärgsskador. Fältet behöver ny teknik för att göra det möjligt att spela in under längre tidsperioder från hjärnan, säger Bizzi. Om det fungerar skulle det vara en gudagåva.
I elektrodapplikationer skulle materialet bara behöva förvandlas en gång, från styvt till mjukt, en gång inuti hjärnan. Weder säger att det cellulosabaserade materialet kan användas för andra applikationer som kräver att man växlar fram och tillbaka från styvt till mjukare tillstånd. Man skulle kunna tänka sig ett smart gips, där man skulle vilja styva upp gipset, men då och då vill man mjuka upp det så att man kan röra armen, säger Weder. Så i den applikationen vill du ha ett vändbart material.
Weder tillägger att cellulosafibrer kan erhållas från andra källor än havsgurkor, som trä och bomull – en väg som hans team planerar att utforska.