211service.com
Aanpasbaar polymeer geïnspireerd op zeekomkommers
Wetenschappers van Case Western University hebben een biopolymeer gemaakt dat snel schakelt tussen rigide en flexibele toestanden, met behulp van materiaal dat is geïnspireerd op zeekomkommers. Het nieuwe materiaal wordt zachter in de aanwezigheid van een oplosmiddel op waterbasis en verstevigt weer als het oplosmiddel verdampt. Christoph Weder, hoofdonderzoeker en hoogleraar macromoleculaire wetenschap en techniek, zegt dat een dergelijk materiaal nuttig kan zijn bij het ontwerp van implanteerbare elektroden die hersenactiviteit gedurende lange tijd kunnen registreren, met minimale littekens in vergelijking met conventionele elektroden.
Slimme polymeer: Zeekomkommers inspireerden het ontwerp van een nieuw nanocomposiet dat snel overschakelt van hard naar zacht. Het nieuwe materiaal zou kunnen worden gebruikt in neurale micro-elektroden.
Een van de uitdagingen voor onderzoekers die neurale implantaten ontwikkelen om verlamde patiënten te helpen, is dat de elektroden meestal van metaal zijn gemaakt. Dergelijk bros en stug materiaal kan na verloop van tijd weefselbeschadiging veroorzaken. (Zie Rekbare elektronische huid .) Inderdaad, gedurende een paar maanden wrijft de harde buitenkant van de elektrode tegen zachte hersenmaterie, waardoor littekenweefsel ontstaat en het opnamevermogen van de elektrode aanzienlijk vermindert. We hebben een nieuwe generatie elektroden nodig die anders zijn dan de gebruikelijke metalen elektroden die na een tijdje allerlei schade aanrichten en niet meer werken, zegt MIT Institute Professor Emilio Bizzi, die niet bij het onderzoek betrokken was.
Om dit probleem op te lossen, zochten Weder en zijn collega's naar biocompatibele materialen die konden transformeren van starre naar flexibele toestanden, en ze vonden een ideaal model in de zeekomkommer. Terwijl een zeekomkommer zich een weg baant over de oceaanbodem, maakt zijn buigzame structuur het gemakkelijk om door scheuren en spleten te wurmen. Bij het eerste teken van gevaar verstijft zijn huid en vormt een stijf pantser tegen mogelijke roofdieren. Onderzoekers hebben ontdekt dat de huid van de zeekomkommer is samengesteld uit een ultrafijn netwerk van cellulosevezels of snorharen. In de defensieve modus laten omringende cellen moleculen vrij die ervoor zorgen dat de snorharen aan elkaar binden en een stijf schild vormen. In een ontspannen toestand geven andere cellen weekmakende eiwitten af, waardoor vezels loskomen en de huid soepel wordt.
Het team van Weder isoleerde stijve cellulosevezels uit de mantels van manteldieren, zeedieren met een huid die lijkt op die van zeekomkommers. De onderzoekers combineerden de vezels vervolgens met een rubberachtig polymeermengsel. De vezels vormden overal een uniforme matrix, waardoor het zachtere polymeermateriaal werd versterkt. Deze snijpunten houden het netwerk bij elkaar en creëren een onbuigzaam materiaal. Het is als een driedimensionaal web waarin deze nanovezels elkaar op bepaalde punten overlappen, en waar ze elkaar ook overlappen, ze blijven aan elkaar plakken, zegt Weder.
Multimedia
Bekijk de zeekomkommer en de materialen die het inspireerde.
Hij zegt dat cellulosevezels bijzonder goed met elkaar kunnen binden omdat ze veel hydroxylgroepen op hun oppervlak bevatten. Bij afwezigheid van een ander waterstofbevattend molecuul plakken deze hydroxylgroepen aan elkaar en vormen een vezelig web. Om de vezelbindingen te verbreken en het web los te maken, injecteerde het team van Weder een oplosmiddel op waterbasis in het materiaal dat concurrerende waterstofgroepen bevatte. Als reactie ontkoppelden cellulosevezels terwijl hun waterstofgroepen werden gecombineerd met de wateroplossing. Als alternatief, terwijl water uit het mengsel verdampte, werden de vezels opnieuw verbonden en werden ze weer stijf.
In de stijve toestand is het materiaal als een hard, stijf plastic, net als je cd-doosje, zegt Weder. Wanneer het materiaal zacht wordt, is het meer een rubber. Hij zegt dat als een dergelijk materiaal zou worden gebruikt om neurale elektroden te ontwerpen, het zou kunnen worden ontworpen om te reageren op vloeistof in de hersenen, en zachter te worden als het in contact komt met zenuwweefsel.
Bizzi van MIT zegt dat zo'n buigzame elektrode de opnametijd in de hersenen zou verlengen die mogelijk is met neurale implantaten, en waardevolle gegevens zou opleveren voor de behandeling van aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson, het syndroom van Gilles de la Tourette en ruggenmergletsels. Het veld heeft nieuwe technologie nodig om het mogelijk te maken om voor langere tijd vanuit de hersenen te registreren, zegt Bizzi. Als het werkt, zou het een godsgeschenk zijn.
Bij elektrodetoepassingen zou het materiaal maar één keer, van stijf naar zacht, één keer in de hersenen hoeven te transformeren. Weder zegt dat het op cellulose gebaseerde materiaal kan worden gebruikt voor andere toepassingen waarbij heen en weer moet worden geschakeld van stijve naar zachtere toestanden. Je zou kunnen denken aan een slimme cast, waarbij je je cast zou willen verstevigen, maar zo nu en dan wil je het zachter maken zodat je je arm kunt bewegen, zegt Weder. Dus in die toepassing wil je een omkeerbaar materiaal.
Weder voegt eraan toe dat cellulosevezels kunnen worden verkregen uit andere bronnen dan zeekomkommers, zoals hout en katoen, een weg die zijn team van plan is te verkennen.