ساخت مواد انعطاف‌پذیر با الهام از عضلات بدن

دانشمندان "دانشگاه هوکایدو" (Hokkaido University) ژاپن، روش جدیدی ارائه داده‌اند تا موادی ابداع کنند که در صورت استفاده، به استحکام آن‌ها افزوده می‌شود. این گروه پژوهشی با تقلید از مکانیسمی که امکان رشد و تقویت پس از ورزش را برای عضلات فراهم می‌کند، پلیمری ابداع کردند که تحت فشار مکانیکی تجزیه می‌شوند و سپس با کمک مواد مغذی، دوباره رشد می‌کنند.

یکی از مشکلات موادی که جاندار نیستند این است که در مقایسه با مواد آلی و زنده، عمر مفید محدودی دارند. موادی مانند فولاد، پلاستیک، سرامیک و منسوجات در مقایسه با مواد آلی، بسیار زودتر فرسوده می‌شوند. فلزات زودتر فرسوده می‌شوند، پلاستیک زودتر متلاشی می‌شود، سرامیک زودتر ترک برمی‌دارد و منسوجات نیز عمر کوتاه‌تری دارند.

دلیل این موضوع، توانایی بافت‌های زنده در رشد دوباره و محکم‌تر شدن است. به خاطر وجود این توانایی، ورزش کردن می‌تواند به تقویت عضلات کمک کند. عضلات در طول ورزش تقویت می‌شوند، زیرا بافت‌ها پس از تجزیه، با بافت‌های جدید و قوی‌تری جایگزین می‌شوند که از آمینواسید‌های موجود در جریان خون تغذیه می‌کنند.

پژوهشگران دانشگاه هوکایدو، از موادی موسوم به "هیدروژل‌های دو شبکه‌ای" (double-network hydrogels) استفاده کردند. این مواد، مانند هیدروژل‌های دیگر، پلیمر‌هایی هستند که ۸۵ درصد وزن آن‌ها را آب تشکیل می‌دهد، اما هیدروژل‌های مورد استفاده در این پژوهش، هم از یک پلیمر خشک و شکننده و هم از یک پلیمر نرم و قابل کشش تشکیل شده‌اند؛ در نتیجه محصول نهایی هم نرم و هم خشک است.

این هیدروژل در محیط آزمایشگاه، در "مونومر" (monomer) غوطه‌ور شد. مونومرها، اتصالات واحد مولکولی هستند که پلیمر را شکل می‌دهند. عملکرد مونومر‌ها در مواد شبیه به عضله، مانند آمینواسید‌های موجود در بافت زنده است.

به گفته پژوهشگران، با کشش هیدروژل، برخی از زنجیره‌های پلیمر تجزیه می‌شوند و گونه‌های شیمیایی موسوم به "مکانورادیکال" (mechanoradical) را در پایانه‌های پلیمر تجزیه شده به وجود می‌آورند. این گونه‌های شیمیایی، بسیار واکنش‌پذیر هستند و به سرعت به مونومر‌های شناور متصل می‌شوند تا یک زنجیره پلیمری جدید و قوی‌تر شکل دهند.

این هیدروژل در آزمایش‌ها، مانند عضلات بدن که در حال ورزش هستند، عمل کرده و ۱.۵ برابر قوی‌تر، ۲۳ برابر محکم‌تر و وزن آن نیز تا ۸۶ درصد بیشتر شد. پژوهشگران حتی توانستند با استفاده از مونومر‌های حساس به گرما و به کار بردن دمای بالا، ویژگی‌های ماده را کنترل کنند.

"جیان پینگ گونگ" (Jian Ping Gong)، سرپرست این پژوهش گفت: این روش جدید می‌تواند به ابداع موادی برای کاربرد‌های گوناگون از جمله ابداع اسکلت خارجی انعطاف‌پذیر برای بیماران مبتلا به آسیب‌های اسکلتی منجر شود.

این پژوهش، در مجله "Science" به چاپ رسید.