Assim como os medicamentos de liberação controlada distribuem lentamente sua carga depois que experimentam uma mudança de pH no corpo, "músculos artificiais" implantados poderiam algum dia se flexionar e relaxar em resposta à luz iluminando a pele. Em estudos piloto, cientistas desenvolveram um novo material que se expande e se contrai, levantando um peso simplesmente iluminando-o com uma luz.

Os pesquisadores apresentarão seus resultados hoje no Encontro e Exposição Nacional da American Chemical Society (ACS) na primavera de 2019.

"Desenvolvemos um novo polímero que tem um novo mecanismo para acionar materiais - fazendo com que os materiais encolham, expandir ou manter uma 'memória' de uma forma particular - tudo com um simples estímulo, "diz Jonathan Barnes, Ph.D.

Materiais que respondem a estímulos têm sido aplicados em muitos setores diferentes até hoje. Por exemplo, alguns deles mudam de cor e são usados ​​como revestimento de pára-brisa para proteger os motoristas instantaneamente do sol forte. Outros materiais podem ser formados em vasos que respondem às mudanças nas concentrações de nutrientes e alimentam as safras agrícolas conforme necessário. Outras aplicações ainda estão na área biomédica.

Barnes e sua equipe da Universidade de Washington em St. Louis (WUSTL) estão testando seu novo polímero para determinar para que ele é particularmente adequado. Mas o objetivo principal é ver se o material funciona, uma característica que pode facilitar o desenvolvimento de um músculo artificial.

Durante a pós-graduação, Barnes estudou um grupo de moléculas, conhecidos como viologens, que mudam de cor com a adição e subtração de elétrons. Barnes suspeitou que se essas moléculas estivessem ligadas entre si, eles se dobrariam como um acordeão porque as áreas que aceitam um único elétron se reconhecem. Ele também se perguntou se a ação das moléculas de dobramento poderia fazer uma rede 3-D se mover, e se ele poderia tornar o processo reversível.

Para resolver esses problemas, A equipe de Barnes na WUSTL sintetizou cadeias de polímeros com viologens em seus backbones. Quando uma luz LED azul brilhou nas moléculas, eles se dobraram em pregas com a ajuda de conhecidos catalisadores fotoredox que podem transferir elétrons para os viologenos. Em seguida, os pesquisadores incorporaram os polímeros em uma forma flexível, hidrogel 3-D solúvel em água. Quando a equipe iluminou o gel, o efeito acordeão que ocorreu dentro da molécula puxou o gel em si mesmo, fazendo com que o material encolha a um décimo de seu tamanho original. Quando a luz foi desligada, o material se expandiu. À medida que o hidrogel incorporado ao polímero mudou de forma, também mudou de cor.

"A beleza do nosso sistema é que podemos pegar um pouco do nosso polímero, chamado de poliviologen, e colocá-lo em qualquer tipo de rede 3-D, transformando-o em um material responsivo a estímulos, "Diz Barnes. Menos de um por cento do peso do hidrogel precisa conter poliviologeno para obter uma resposta. Portanto, o polímero não impõe um efeito significativo nas outras propriedades do material no qual está contido.

Para descobrir se o material poderia funcionar, o grupo prendeu o gel a uma tira de fita isolante com um pedaço de arame na ponta. Eles suspenderam um pequeno peso do fio e penduraram o hidrogel na frente de uma luz azul. O gel levantou o peso - que era cerca de 30 vezes a massa do poliviologeno incorporado - e depois de cinco horas, subiu vários centímetros.

O grupo agora fez outros ajustes, incluindo tornar os géis mais fortes e elásticos, e fazendo com que eles se movam mais rápido. E os pesquisadores desenvolveram polímeros que respondem a múltiplos estímulos ao mesmo tempo. Eles também construíram géis que respondem à luz em diferentes comprimentos de onda. Materiais que respondem à luz vermelha ou quase infravermelha, que pode penetrar no tecido humano, poderia ser usado em aplicações biomédicas, tais como dispositivos de entrega de drogas ou, eventualmente, como músculos artificiais.

Barnes diz que seu grupo apenas começou a testar os limites desses novos materiais. Atualmente, a equipe está estudando as propriedades de autocura de hidrogéis incorporados a poliviologenos, e eles estão explorando a possibilidade de imprimir os polímeros em 3-D em diferentes tipos de materiais.