p Pesquisadores da Northwestern Engineering desenvolveram um modelo teórico para projetar materiais macios que demonstram propriedades oscilantes autônomas que imitam funções biológicas. O trabalho pode avançar o design de materiais responsivos usados ​​para fornecer terapêuticas, bem como para materiais macios semelhantes a robôs que operam de forma autônoma. p O projeto e a síntese de materiais com funções biológicas requerem um equilíbrio delicado entre a forma estrutural e a função fisiológica. Durante o desenvolvimento embrionário, por exemplo, folhas planas de células embrionárias se transformam por meio de uma série de dobras em estruturas tridimensionais intrincadas, como ramos, tubos, e sulcos. Esses, por sua vez, tornar-se dinâmico, blocos de construção tridimensionais para órgãos que desempenham funções vitais, como batimento cardíaco, absorção de nutrientes, ou processamento de informações pelo sistema nervoso.

p Esses processos de formação de forma, Contudo, são controlados por eventos de sinalização química e mecânica, que não são totalmente compreendidos no nível microscópico. Para preencher essa lacuna, pesquisadores liderados por Monica Olvera de la Cruz projetaram sistemas computacionais e experimentais que imitam essas interações biológicas. Hidrogéis, uma classe de materiais poliméricos hidrofílicos, surgiram como candidatos capazes de reproduzir mudanças de forma mediante estimulação química e mecânica observada na natureza.

p Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico para uma concha à base de hidrogel que sofreu alterações morfológicas autônomas quando induzida por reações químicas.

p "Descobrimos que os produtos químicos modificaram o microambiente local do gel, permitindo o inchaço e desintegração de materiais por meio de tensões quimio-mecânicas de maneira autônoma, "disse de la Cruz, Advogado Taylor, Professor de Ciência e Engenharia de Materiais na Escola de Engenharia McCormick. "Isso gerou mudança morfológica dinâmica, incluindo oscilações periódicas que lembram os batimentos cardíacos encontrados em sistemas vivos. "

p Um papel, intitulado "Formação de padrão quimicamente controlada em cascas elásticas auto-oscilantes, "foi publicado em 1º de março na revista PNAS . Siyu Li e Daniel Matoz-Fernandez, bolsistas de pós-doutorado no laboratório de Olvera de la Cruz, foram os co-primeiros autores do artigo.

p No estudo, os pesquisadores projetaram uma concha polimérica com resposta química destinada a imitar a matéria viva. Eles aplicaram as propriedades mecânicas à base de água da concha de hidrogel a uma espécie química, uma substância química que produz um comportamento padronizado específico - neste caso, oscilações em forma de onda - localizadas dentro da casca. Depois de conduzir uma série de reações de redução-oxidação - uma reação química que transfere elétrons entre duas espécies químicas - a camada gerou microcompartimentos capazes de se expandir ou contrair, ou induzindo comportamento de flambagem-desafivelamento quando a instabilidade mecânica foi introduzida.

p "Acoplamos a resposta mecânica do hidrogel às mudanças na concentração das espécies químicas dentro do gel como um ciclo de feedback, "Matoz-Fernandez disse." Se o nível de produtos químicos ultrapassar um certo limite, a água é absorvida, inchaço do gel. Quando o gel incha, a espécie química se dilui, desencadeando processos químicos que expelem a água do gel, portanto, contraindo o gel. "

p O modelo dos pesquisadores pode ser usado como base para desenvolver outros materiais macios, demonstrando diversos, mudanças morfológicas dinâmicas. Isso pode levar a novas estratégias de distribuição de medicamentos com materiais que aumentem a taxa de difusão de produtos químicos compartimentados ou liberem cargas em taxas específicas.

p "Alguém poderia, em princípio, projetar microcompartimentos catalíticos que se expandem e contraem para absorver ou liberar componentes em uma frequência específica. Isso pode levar a mais direcionados, terapêutica baseada no tempo para tratar doenças, "Li disse.

p O trabalho também pode informar o desenvolvimento futuro de materiais macios com funcionalidade semelhante a um robô que operam de forma autônoma. Esses 'soft robótica' surgiram como candidatos para apoiar a produção de produtos químicos, ferramentas para tecnologias ambientais, ou biomateriais inteligentes para a medicina. No entanto, os materiais dependem de estímulos externos, como luz, funcionar.

p “Nosso material opera de forma autônoma, então não há controle externo envolvido, "Li disse." Ao 'cutucar' a casca com uma reação química, você aciona o movimento. "

p Os pesquisadores planejam desenvolver suas descobertas e preencher ainda mais a lacuna entre o que é possível na natureza e o laboratório de ciências.

p "O objetivo de longo prazo é criar hidrogéis autônomos que possam executar funções complexas acionadas por pistas tão simples como uma deformação mecânica local, "Olvera de la Cruz disse.