Os pesquisadores que buscam desenvolver hidrogéis de autocura há muito procuram imitar a capacidade natural dos mexilhões de gerar energia, fios flexíveis subaquáticos que permitem que os mexilhões grudem nas rochas.

O processo natural que dá a esses fios de mexilhão, que são chamados de bissal, a capacidade de se separar e se reformar é um processo puramente químico, não um biológico, O estudante de pós-graduação do MIT Seth Cazzell observou em uma apresentação na reunião de outono da Sociedade de Pesquisa de Materiais em Boston em 5 de dezembro.

A etapa crítica do processo é a ligação química das cadeias poliméricas a um átomo de metal (uma ligação proteína-metal no caso do mexilhão). Esses links são chamados de ligações de coordenação de metal com ligações cruzadas. Sua maior força ocorre quando cada átomo de metal se liga a três cadeias de polímero, e eles formam uma rede que resulta em um hidrogel forte.

Em um publicado recentemente PNAS papel, Cazzell e o professor associado de ciência dos materiais e engenharia Niels Holten-Andersen demonstraram um método para criar um hidrogel autocurante em uma faixa mais ampla de concentrações de metal por meio do uso de competição controlada pelo pH, ou acidez e alcalinidade, do ambiente. Cazzell é ex-bolsista graduado em Engenharia e Ciência da Defesa Nacional.

Em seu sistema computacional modelo, Cazzell mostrou que, na ausência de competição controlada por pH, excesso de metal - normalmente ferro, alumínio, ou níquel - supera a capacidade do polímero de formar ligações cruzadas fortes. Na presença de muito metal, os polímeros se ligam individualmente a átomos de metal em vez de formar complexos reticulados, e o material permanece um líquido.

Um ligante coordenador de metal inspirado no mexilhão comumente estudado é o catecol. Neste estudo, um catecol modificado, nitrocatecol, foi ligado ao polietilenoglicol. Ao estudar o sistema nitrocatecol coordenado com o ferro, bem como um segundo sistema modelo de hidrogel (histidina coordenada com níquel), Cazzell confirmou experimentalmente que a formação de ligações cruzadas fortes poderia ser induzida sob concentrações excessivas de metal, apoiando sua evidência computacional do papel competitivo dos íons hidróxido (pares de hidrogênio-oxigênio carregados negativamente), que atuam como um competidor do polímero para a ligação ao metal.

Nessas soluções, polímeros podem se ligar a átomos de metal em uns, dois, ou três. Quando mais átomos de metal se ligam aos íons de hidróxido, há menos átomos de metal disponíveis para se ligar aos átomos de polímero, o que aumenta a probabilidade de que os átomos de polímero se liguem aos átomos de metal em fortes reticulações triplas que produzem o gel tipo massa desejado.

"O que realmente gostamos neste estudo é que não estamos olhando para a biologia diretamente, mas achamos que está nos dando boas evidências de algo que pode estar acontecendo na biologia. Portanto, é um exemplo de ciência dos materiais informando o que pensamos que o organismo está realmente usando para construir esses materiais, "Cazzell diz.

Em simulações, Cazzell traçou o efeito do competidor de hidróxido na formação de hidrogel forte e descobriu que conforme a força do competidor aumenta, "podemos entrar em uma faixa onde podemos formar um gel em quase qualquer lugar." Mas, ele diz, "Eventualmente, o concorrente fica muito forte, e você perde a capacidade de formar um gel. "

Esses resultados têm potencial para uso em impressão 3-D avançada de tecidos sintéticos e outras aplicações biomédicas.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.