ไฮโดรเจลใหม่แข็งตัวและนุ่มเหมือนกล้ามเนื้อตามธรรมชาติ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Radboud ในประเทศเนเธอร์แลนด์ได้พัฒนาไฮโดรเจลสังเคราะห์ใหม่ที่แข็งขึ้นถึง 50 เท่าเมื่อได้รับความร้อนเพียงไม่กี่องศา กระบวนการทำให้แข็งทื่อสามารถย้อนกลับได้ และทีมงานเชื่อว่าไฮโดรเจลสามารถนำมาใช้ในการใช้งานใหม่ๆ ได้หลากหลาย ซึ่งรวมถึงวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

การควบคุมการแข็งตัวหรือการอ่อนตัวของวัสดุเป็นเรื่องปกติมากในชีววิทยา 

โดยมีบทบาทในกระบวนการต่างๆ 

เช่น การหดตัวของกล้ามเนื้อ พังผืดของเนื้อเยื่อ การเสื่อมสภาพของเอนไซม์ในเนื้อเยื่อและการก่อตัวของเนื้องอก มันเกี่ยวข้องกับเซลล์ชีวภาพที่แปลงพลังงานเคมีเป็นความเครียดทางกล ซึ่งทำให้โครงร่างโครงร่างของเซลล์แข็งตัวด้วยความเครียด อย่างไรก็ตาม การเลียนแบบความสามารถนี้ในการทำให้แข็งและอ่อนตัวในวัสดุสังเคราะห์ เช่น ไฮโดรเจล ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำได้ยากมาก

ไฮโดรเจลเป็นวัสดุที่มีความยืดหยุ่นซึ่งทำจากพอลิเมอร์เชื่อมขวาง ไฮโดรเจลส่วนใหญ่จะนิ่มหรือแข็งก็ได้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ เพื่อลดความแข็งของโครงข่ายขวางที่กำหนด ลิงค์ขวางบางส่วนจะต้องขาด ในทางกลับกัน ความฝืดจะเพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มจำนวนการเชื่อมขวาง ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด จำเป็นต้องมีการกระตุ้นครั้งใหญ่เพื่อทำลายหรือสร้างพันธะ และกระบวนการเหล่านี้มักจะไม่สามารถย้อนกลับได้อย่างง่ายดาย

กลไกใหม่ทั้งหมดตอนนี้นักวิจัยที่นำโดย   Paul Kouwer แห่ง Radboud ได้พัฒนาไฮโดรเจลสังเคราะห์ที่สามารถเปลี่ยนความแข็งของมันในลักษณะย้อนกลับได้ “เราใช้กลไกใหม่ทั้งหมด ซึ่งทำให้แนวทางของเราน่าสนใจมาก” Kouwer อธิบาย “เราไม่ได้สร้าง crosslink ใหม่เพื่อทำให้ไฮโดรเจลของเราแข็งทื่อ สิ่งที่เรามีคือวัสดุที่ไวต่อความเครียด ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่พบได้ทั่วไปในทางชีววิทยา แต่ไม่ใช่ในวัสดุสังเคราะห์”

วัสดุของพวกเขาประกอบด้วยพอลิเมอร์

สองประเภทที่ประสานกันเพื่อสร้างเครือข่ายที่แทรกซึม ส่วนประกอบโพลีเมอร์หนึ่งชนิดคือโพลิไอโซไซยาไนด์ (PIC) ซึ่งตอบสนองต่อความเครียด อีกส่วนประกอบหนึ่งคือโพลี ( N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) ซึ่งตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

การให้ความร้อนกับวัสดุเพียงระดับเดียวทำให้เครือข่าย PNIPAM ที่ไวต่ออุณหภูมิได้รับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เฉียบคมซึ่งทีมอธิบายว่าเป็นการพังทลาย สิ่งนี้ทำให้เกิดความเครียดบนสายโซ่โพลีเมอร์ PIC ซึ่งทำให้พวกมันแข็งทื่อ

“การล่มสลายขององค์ประกอบหนึ่งทำให้เกิดความเครียดภายในซึ่งทำให้เกิดการตอบสนองที่ไม่เป็นเชิงเส้นอย่างมากในองค์ประกอบที่สอง การเพิ่มอุณหภูมิเพียงหนึ่งองศาจะทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟสที่คมชัดมากในวัสดุชิ้นแรก และสร้างผลกระทบจากการตึงเครียดในวัสดุที่สอง” Kouwer กล่าว

วัสดุสามารถแข็งขึ้น 50 เท่า และเอฟเฟกต์สามารถย้อนกลับได้ และสามารถทำซ้ำได้มากถึง 10 เท่าด้วยความสามารถในการทำซ้ำที่ยอดเยี่ยมกล้ามในความเข้มของการหดตัวและแรงที่วัดได้ในไฮโดรเจลใหม่นั้นคล้ายกับการหดตัวของกล้ามเนื้อจริง อันที่จริง กล้ามเนื้อประกอบด้วยเส้นใยแอคตินที่ยึดติดกับเส้นใยไมโอซิน ซึ่งหดตัวด้วยมอเตอร์ไมโอซิน ดังนั้นความเครียดที่เกิดจากเครือข่าย PNIPAM ที่ยุบลงในไฮโดรเจลจึงมีบทบาทคล้ายกับของมอเตอร์ไมโอซิน

อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างที่สำคัญ

คือเส้นใยกล้ามเนื้ออยู่ในแนวเดียวกันในขณะที่เส้นใยในไฮโดรเจลไม่อยู่ในแนวเดียวกัน ไฮโดรเจลไม่หดตัวในทิศทางเดียว ไม่เหมือนกับกล้ามเนื้อ

“ถ้าระบบของคุณอยู่ในแนวเดียวกัน มันจะหดตัวในทิศทางเดียวเช่นกัน ในทางกลับกัน ระบบของเราเป็นวัสดุสามมิติแบบไอโซโทรปิก ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถมองเห็นเอฟเฟกต์การแข็งตัวในระดับมหภาค เนื่องจากมันจะเกิดขึ้นในทุกทิศทางที่เป็นไปได้พร้อมกัน” Kouwer กล่าว “เราตระหนักว่าถ้าเราสามารถชี้นำทิศทางการแข็งตัวได้ เราจะสามารถออกแบบกล้ามเนื้อเลียนแบบได้จริง”

การเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อทีมงานกำลังทำงานเพื่อจัดแนวสายโซ่โพลีเมอร์ในไฮโดรเจล งานในอนาคตอาจรวมถึงการสร้างวัสดุที่ตอบสนองต่อแสงมากกว่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

การประยุกต์ใช้ไฮโดรเจลที่เป็นไปได้อย่างหนึ่งคือใช้เป็นเมทริกซ์สังเคราะห์ที่กระตุ้นให้เซลล์ที่มีชีวิตรวมกันเพื่อสร้างเนื้อเยื่อเทียมในห้องปฏิบัติการ การเปลี่ยนแปลงไฮโดรเจลในท้องถิ่นและแบบควบคุมเวลาอาจควบคุมพฤติกรรมของเซลล์ที่กำลังเติบโต ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่สำคัญสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อและการเจริญเติบโตของอวัยวะเทียม

“การวางเซลล์ไว้ในสภาพแวดล้อมที่แข็งกระด้างสามารถทำให้พวกเขาตอบสนองด้วยการแสดงโปรตีนที่แตกต่างกันหรือเปลี่ยนอัตราการเติบโต พื้นที่นี้ยังไม่เป็นที่รู้จักอย่างสมบูรณ์ ในทางทฤษฎี สิ่งนี้สามารถสร้างสาขาใหม่ทั้งหมดในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ” Kouwer อธิบาย

Gijsje Koenderinkจากสถาบันวิจัย AMOLF ในอัมสเตอร์ดัม ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาครั้งนี้ เชื่อว่าความท้าทายต่อไปในการพัฒนาวัสดุคือการเปลี่ยนเจลที่ไวต่ออุณหภูมิ ซึ่งต้องการพลังงานจากภายนอกที่ป้อนเข้ามาในรูปของความร้อนด้วยโมเลกุลที่ใช้งาน แหล่งที่มาของความเครียด “เคมีสังเคราะห์ได้บรรลุการเลียนแบบสังเคราะห์ในรูปแบบของพอลิเมอร์ที่ใช้งานและมอเตอร์โมเลกุลสังเคราะห์” เธอกล่าว ความท้าทายต่อไปคือการรวมโมเลกุลที่ออกฤทธิ์ทางกลกับวัสดุเข้าด้วยกัน และใช้พวกมันเพื่อขับเคลื่อนการปรับกลไกที่เหมือนมีชีวิต”

การวิจัยยังอาจช่วยไขปริศนาของประวัติศาสตร์สภาพอากาศด้วย: 50 ล้านปีก่อนหรือมากกว่านั้น  ในช่วงยุคทางธรณีวิทยาที่เรียกว่า Eocene แผ่นน้ำแข็งอาร์กติกละลาย แบบจำลองสภาพภูมิอากาศแสดงให้เห็นว่าในการทำเช่นนี้ อัตราส่วนคาร์บอนในบรรยากาศจะต้องเพิ่มขึ้นเป็น 4,000 ppm

ทีมงานของ Caltech แนะนำว่าสิ่งเหล่านี้จะมีระดับ CO2 “สูงอย่างไม่น่าเชื่อ” การศึกษาล่าสุดชี้ว่า นี่อาจเป็นการประเมินค่าสูงไป เพียง 1,200 ppm ก็เพียงพอแล้วที่จะทำให้เทอร์โมมิเตอร์ของดาวเคราะห์พุ่งสูงขึ้น

Credit : เกมส์ออนไลน์แนะนำ >>>เว็บสล็อตแตกง่าย