Wytrzymałość i szybka regeneracja. Dlaczego hydrożel imitujący skórę może wzniecić rewolucję?

– To fundamentalne odkrycie, które potencjalnie ustali na nowo zasady projektowania materiałów – przekonuje Olli Ikkala, fizyk z fińskiego Uniwersytetu Aalto.

Żelatyna, kolagen, kwas hialuronowy oraz żel krzemionkowy. Wszystkie te substancje spełniają definicję tzw. hydrożelu. Z takimi materiałami, łączącymi rozmaite polimery z wodą, spotykamy się każdego dnia, choć często nie zdajemy sobie z tego sprawy. Stanowią składnik leków i kosmetyków, bo łatwo zaaplikować je na skórę i bezboleśnie z niej usunąć. Nadają odpowiednią konsystencję mydłom, soczewkom kontaktowym czy implantom chirurgicznym. Ze względu na to, że absorbują wydzieliny z ran, świetnie sprawdzają się w produkcji opatrunków. Dobrze znają je także ogrodnicy. Hydrożele sprawne pochłaniają wodę, żeby następnie oddać ją korzeniom roślin.

Hydrożel: sztywność i regeneracja

Jak widać, zastosowań dla takich substancji zdecydowanie nie brakuje. Inżynierowie materiałowi nie bez powodu próbują dlatego wynieść je na jeszcze wyższy poziom. Sposobem na to ma być upodobnienie hydrożelu do ludzkiej skóry na dwóch polach. Chodzi o imitację jej szczególnych cech: dużej sztywności połączonej z elastycznością oraz zdolności do szybkiej regeneracji. Dotychczas udawało się odtworzyć tylko jedną z właściwości w konkretnym momencie. Zespół naukowców z fińskiego Uniwersytetu Aalto postanowił podjąć rękawicę i zapewnić dwa przymioty naraz. Jak do tego doszło? 

Kluczem do sukcesu okazało się wykorzystanie dużych, a zarazem ultracienkich nanopłytek gliny. Zmieszano je z wodą, a następnie utwardzono za pomocą lampy UV podobnej do tej, którą wykorzystuje się do nakładania lakierów hybrydowych na paznokcie. Nanopłytki zmodyfikowały miękką, gąbczastą strukturę hydrożeli. Tym samym wchodzące w ich skład polimery stały się jeszcze gęściej splątane. Poprawia to właściwości mechaniczne materiału i otwiera drogę do jego samonaprawiania. – Aby zwizualizować to zjawisko w skali nano, można sobie wyobrazić rozdzielenie ryzy papieru na arkusze, na równomierną długość jednego milimetra – tłumaczy prof. Josef Breu. 

Włochata mysz pomoże w reintrodukcji mamutów? Start-up Colossal Biosciences realizuje scenariusz rodem z filmów sci-fi

Kluczowy krok naprzód

Finowie nie kryją zadowolenia z udanych prób. – Tym samym odkryliśmy mechanizm wzmacniania konwencjonalnie miękkich substancji. To może zrewolucjonizować rozwój nowych materiałów inspirowanych biologią – przekonuje Hang Zhang, jeden z autorów eksperymentu. Fizyk Olli Ikkala twierdzi za to, że gama zastosowań usprawnionego hydrożelu będzie jeszcze szersza. – Choć jeszcze długa droga do tego, żeby przenieść go do świata rzeczywistego, uzyskane wyniki stanowią kluczowy krok naprzód. [Hydrożel – przyp. red] to fundamentalna rewelacja, która potencjalnie ustali na nowo zasady projektowania materiałów – przekonuje.

Naukowiec pozwolił sobie przy okazji puścić wodze fantazji. – Wyobraź sobie roboty z wytrzymałą, samonaprawiającą się skórą lub syntetycznymi tkankami, które autonomicznie się naprawiają – dodaje. Automatyzacja z takimi rozwiązaniami może dokonać się na jeszcze większą skalę.

Ze szczegółowym opisem badania można zapoznać się na łamach naukowego periodyku Nature Materials.