Os músculos esqueléticos humanos têm uma combinação única de propriedades que os pesquisadores de materiais buscam para suas próprias criações. Eles são fortes, suave, cheio de água, e resistente à fadiga. Um novo estudo realizado por pesquisadores do MIT encontrou uma maneira de dar aos hidrogéis sintéticos esse pacote total de características:submetê-los a um treino vigoroso.

Em particular, os cientistas treinaram mecanicamente os hidrogéis, esticando-os em um banho-maria. E assim como com os músculos esqueléticos, os representantes no "ginásio" valeram a pena. O treinamento alinhou nanofibras dentro dos hidrogéis para produzir um forte, suave, e material hidratado que resiste à quebra ou fadiga após milhares de movimentos repetitivos.

Os hidrogéis de álcool polivinílico (PVA) treinados no experimento são biomateriais bem conhecidos que os pesquisadores usam para implantes médicos, revestimentos de drogas, e outros aplicativos, diz Xuanhe Zhao, professor associado de engenharia mecânica no MIT. "Mas um com essas quatro propriedades importantes não foi projetado ou fabricado até agora."

Em seu jornal, publicado esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , Zhao e seus colegas descrevem como os hidrogéis também podem ser impressos em 3D em uma variedade de formas que podem ser treinadas para desenvolver o conjunto de propriedades musculares.

No futuro, os materiais podem ser usados ​​em implantes como "válvulas cardíacas, substituições de cartilagem, e discos espinhais, bem como em aplicações de engenharia, como robôs soft, "Zhao diz.

Outros autores do MIT no papel incluem o estudante graduado Shaoting Lin, pós-doutorado Ji Liu, e a estudante de graduação Xunyue Liu no laboratório de Zhao.

Treinamento de força e muito mais

Excelentes tecidos naturais de suporte de carga, como músculos e válvulas cardíacas, são uma bioinspiração para os pesquisadores de materiais, mas tem sido muito desafiador projetar materiais que capturem todas as suas propriedades simultaneamente, Zhao diz.

Por exemplo, pode-se projetar um hidrogel com fibras altamente alinhadas para lhe dar força, mas pode não ser tão flexível quanto um músculo, ou pode não ter o teor de água que o torna compatível para uso em humanos. "A maioria dos tecidos do corpo humano contém cerca de 70 por cento de água, então, se quisermos implantar um biomaterial no corpo, um maior teor de água é mais desejável para muitas aplicações no corpo, "Zhao explica.

A descoberta de que o treinamento mecânico pode produzir um hidrogel semelhante a um músculo foi quase um acidente, diz Lin, o principal autor do estudo PNAS. A equipe de pesquisa vinha realizando testes de carregamento mecânico cíclico nos hidrogéis, tentando encontrar o ponto de fadiga onde os hidrogéis começariam a quebrar. Eles ficaram surpresos ao descobrir que o treinamento cíclico estava na verdade fortalecendo os hidrogéis.

"O fenômeno de fortalecimento em hidrogéis após o carregamento cíclico é contra-intuitivo para o entendimento atual sobre a fratura por fadiga em hidrogéis, mas compartilha a semelhança com o mecanismo de fortalecimento muscular após o treinamento, "diz Lin.

Antes do treino, as nanofibras que compõem o hidrogel são orientadas aleatoriamente. “Durante o processo de treinamento, o que percebemos é que estávamos alinhando as nanofibras, "diz Lin, acrescentando que o alinhamento é semelhante ao que acontece com um músculo humano sob exercícios repetidos. Esse treinamento tornou os hidrogéis mais fortes e resistentes à fadiga. A combinação das quatro propriedades principais apareceu após cerca de 1, 000 ciclos de alongamento, mas alguns dos hidrogéis foram alongados por mais de 30, 000 ciclos sem quebrar. A resistência à tração do hidrogel treinado, na direção das fibras alinhadas, aumentou cerca de 4,3 vezes em relação ao hidrogel não alongado.

Ao mesmo tempo, o hidrogel demonstrou flexibilidade suave, e manteve um alto teor de água de 84 por cento, os pesquisadores descobriram.

O fator antifadiga

Os cientistas recorreram à microscopia confocal para examinar mais de perto os hidrogéis treinados, para ver se eles poderiam descobrir as razões por trás de sua propriedade anti-fadiga impressionante. "Nós os colocamos em milhares de ciclos de carga, então, por que não falha? ", diz Lin." O que fizemos foi fazer um corte perpendicular a essas nanofibras e tentar propagar uma rachadura ou dano neste material. "

"Tingimos as fibras sob o microscópio para ver como elas se deformavam como resultado do corte, [e descobriram que] um fenômeno chamado craqueamento foi responsável pela resistência à fadiga, "Ji diz.

"Em um hidrogel amorfo, onde as cadeias de polímero são alinhadas aleatoriamente, não é preciso muita energia para que o dano se espalhe pelo gel, "Lin acrescenta." Mas nas fibras alinhadas do hidrogel, uma rachadura perpendicular às fibras é 'fixada' no lugar e impedida de se alongar porque é preciso muito mais energia para fraturar as fibras alinhadas uma a uma. "

Na verdade, os hidrogéis treinados quebram um famoso limite de fadiga, previsto pela teoria de Lake-Thomas, que propõe a energia necessária para fraturar uma única camada de cadeias poliméricas amorfas, como aquelas que compõem os hidrogéis de PVA. Os hidrogéis treinados são 10 a 100 vezes mais resistentes à fadiga do que o previsto pela teoria, Zhao e seus colegas concluíram.