Les chercheurs de Northwestern Engineering ont développé un modèle théorique pour concevoir des matériaux souples qui démontrent des propriétés oscillantes autonomes qui imitent les fonctions biologiques. Le travail pourrait faire progresser la conception de matériaux réactifs utilisés pour fournir des produits thérapeutiques ainsi que pour des matériaux souples de kind robot qui fonctionnent de manière autonome.



La conception et la synthèse de matériaux aux fonctions biologiques nécessitent un équilibre délicat entre forme structurelle et fonction physiologique. Au cours du développement embryonnaire, par exemple, des feuilles plates de cellules embryonnaires se transforment à travers une série de plis en buildings tridimensionnelles complexes telles que des branches, des tubes et des sillons. Ceux-ci, à leur tour, deviennent des éléments de foundation dynamiques et tridimensionnels pour les organes exécutant des fonctions vitales telles que le rythme cardiaque, l’absorption des nutriments ou le traitement de l’information par le système nerveux.

Un matériau souple démontre des propriétés oscillantes autonomes, semblables à celles du rythme cardiaque

Cependant, de tels processus de development de forme sont contrôlés par des événements de signalisation chimiques et mécaniques, qui ne sont pas entièrement compris au niveau microscopique. Pour combler cette lacune, les chercheurs dirigés par Monica Olvera de la Cruz ont conçu des systèmes informatiques et expérimentaux qui imitent ces interactions biologiques. Les hydrogels, une classe de matériaux polymères hydrophiles, sont apparus comme des candidats capables de reproduire les changements de forme lors d’une stimulation chimique et mécanique observée dans la mother nature.



Les chercheurs ont développé un modèle théorique pour une coque à base d’hydrogel qui a subi des changements morphologiques autonomes lorsqu’elle est induite par des réactions chimiques.

« Nous avons constaté que les produits chimiques modifiaient le microenvironnement community du gel, permettant le gonflement et le désenflement des matériaux via des contraintes chimio-mécaniques de manière autonome », a déclaré de la Cruz, avocat Taylor, professeur de science des matériaux et d’ingénierie à la McCormick Faculty of Engineering. « Cela a généré un changement morphologique dynamique, y compris des oscillations périodiques rappelant les battements cardiaques trouvés dans les systèmes vivants.

a été publié le 1er mars dans la revue PNAS. Siyu Li et Daniel Matoz-Fernandez, boursiers postdoctoraux au laboratoire d’Olvera de la Cruz, étaient les co-premiers auteurs de l’article.

Dans l’étude, les chercheurs ont conçu une coque polymère wise aux produits chimiques destinée à imiter la matière vivante. Ils ont appliqué les propriétés mécaniques à foundation d’eau de la coque d’hydrogel à une espèce chimique, une compound chimique qui produit un comportement modelé spécifique – dans ce cas, des oscillations en forme de obscure – situées à l’intérieur de la coque. Après avoir mené une série de réactions de réduction-oxydation – une réaction chimique qui transfère des électrons entre deux espèces chimiques – la coque a généré des microcompartiments capables de se dilater ou de se contracter, ou d’induire un comportement de flambage-débouclage lors de l’instabilité mécanique.

« Nous avons couplé la réponse mécanique de l’hydrogel aux changements de concentration des espèces chimiques dans le gel comme une boucle de rétroaction », a déclaré Matoz-Fernandez. « Si le niveau de produits chimiques dépasse un specific seuil, l’eau est absorbée, gonflant le gel. Lorsque le gel gonfle, l’espèce chimique se dilue, déclenchant des processus chimiques qui expulsent l’eau du gel, contractant ainsi le gel. »

Le modèle des chercheurs pourrait être utilisé comme foundation pour développer d’autres matériaux souples démontrant divers changements morphologiques dynamiques. Cela pourrait conduire à de nouvelles stratégies d’administration de médicaments avec des matériaux qui améliorent la vitesse de diffusion des produits chimiques compartimentés ou libèrent des cargaisons à des taux spécifiques.

« On pourrait, en principe, concevoir des microcompartiments catalytiques qui se dilatent et se contractent pour absorber ou libérer des composants à une fréquence spécifique. Cela pourrait conduire à des thérapies plus ciblées et basées sur le temps pour traiter la maladie », a déclaré Li.

Les travaux pourraient également informer le développement futur de matériaux souples avec des fonctionnalités de variety robot qui fonctionnent de manière autonome. Ces « robotiques douces » sont devenues des candidats pour soutenir la production chimique, des outils pour les systems environnementales ou des biomatériaux intelligents pour la médecine. Pourtant, les matériaux dépendent de stimuli externes, tels que la lumière, pour fonctionner.

« Notre matériel fonctionne de manière autonome, il n’y a donc pas de contrôle externe impliqué », a déclaré Li. « En » piquant « la coquille avec une réaction chimique, vous déclenchez le mouvement. »

Les chercheurs prévoient de s’appuyer sur leurs découvertes et de combler davantage l’écart entre ce qui est possible dans la character et le laboratoire scientifique.

« L’objectif à very long terme est de créer des hydrogels autonomes capables d’exécuter des fonctions complexes déclenchées par des indices aussi simples qu’une déformation mécanique locale », a déclaré Olvera de la Cruz.