Daha Dayanıklı Hidrojellerde Gelişmelere Bir Yenisi Eklendi
Fotoğraf: Araştırmacılar, germe uyguladıkları yeni hidrojellerinin mikroskop görüntülerini (soldaki siyah beyaz olan) ve X-ışını saçılma verilerini (sağdaki renkli olan) kaydetti. Birkaç metodun birlikte kullanımı, bilim insanlarının bu sert ama bir o kadar da esnek olan malzemeyi tam olarak karakterize etmesine olanak sağladı.
Advanced Photon Source’un karakterize edilmesinde yardımcı olan bu güçlü yeni malzeme gerilmede başarılı, ve protezler ve robotikler için yapay tendonlar ve bağlar oluşturmak için ideal olabileceği düşünülüyor.
University of California, Los Angeles (UCLA) çatısı altındaki bir araştırma ekibi, tendonların ve diğer biyolojik dokuların iç yapılarını, esnekliklerini, gücünü ve dayanıklılığını kopyalayan, taklit eden sentetik biyomalzemeler yapmak için yeni bir metot geliştirdi. Bu biyomalzemelerin yapısı, U.S. Department of Energy Office’in (DOE) Argonne National Laboratory’deki Advanced Photon Source’da (APS) araştırıldı.
Araştırmacılar, doğal dokulardan on kat daha dayanıklı olan yapay tendonlar, bağlar ve kıkırdak yapılar oluşturmak üzere kullanılabilecek mevcut hidrojellerin dayanıklılığını artırmak için iki yönlü bir proses geliştirdiler. Hidrojeller, çapraz bağlı polimerler ya da jellerden oluşan iç yapılara sahip geniş bir malzeme sınıfıdır. Yaraları geçici olarak kapatmak veya uzun vadeli, ve hatta kalıcı, bir çözüm sunan protez dokular olarak kullanım için umut vadediyorlar. Ayrıca, jeller, yumuşak robotiğin ve giyilebilir elektronik sistemlerin uygulamalarında kullanılabilirler.
Argonne National Laboratory’den fizikçi Joe Strzalka şunları söylüyor: “Germe uygulanan malzemeden saçılan X-ışınlarını yakalayabilen büyük ve hızlı bir dedektörümüz var. Bu malzeme oldukça dikkat çekici. Tıpkı doğal bir tendon gibi, çok yüksek gerilmelere dayanmasını sağlayan bir fibriller ağı halinde şekillenmiş.”
Hidrojeller, yaklaşık %10 polimerdirler ve çoğunlukla az miktarda katı içerikli sudan oluşmalarına rağmen, %100 polimer olan Kevlar ve kauçuktan daha dayanıklıdırlar. Yeni hidrojeller, diğer bir yandan, vücuda yerleştirilmiş veya giyilebilir tıbbi cihazlar için uygunluklarını, rahatlık ve uzun vadeli performanslarını iyileştirmek adına kaplama olarak kullanılabilirler. Çalışma Nature‘da yayımlandı.
UCLA Samueli School of Engineering’de malzeme bilimi ve mühendisliği yardımcı doçenti olan çalışma lideri Ximin He, “Bu çalışma, yüke dayanımlı doğal biyolojik dokularla daha güçlü olmasa da eşit düzeyde olan yapay biyomateryaller için çok umut verici bir yol gösteriyor.” diyor.
Araştırmacılar, yeni malzemelerinin dayanıklılığına ve esnekliğine olanak tanıyan yapıyı, APS ışın hattı 8-ID-E’de incelediler. Işın hattındaki araştırmacılar, malzemenin mikro yapısını incelemek üzere APS’nin ultra parlak X-ışınlarına maruz bırakılırken malzeme örneğini germe-çekme için ışın hattında geliştirilen bir araç kullandılar.
Argonne’un X-ışını Bilim Bölümü’nden fizikçi ve makalenin eş yazarı olan Hua Zhou, “X-ışını saçılma yöntemleri, araştırmacıların materyallerinin esnedikçe veya gerildikçe geçirdiği değişiklikleri gözlemlemelerine olanak tanıyor.” diyor. “Bu veriler bizlere, raporlanan pek çok sert hidrojelde görülen yüksek gerilme ve gerinim değerlerinin üstesinden oldukça iyi bir şekilde gelen ve diğer yandan güçlü yorulma mukavemeti ve orijinal şekline dönme yeteneği olan bir malzeme tanıttı.”
Zhou, “APS’de alınan veriler, araştırmacılara malzeme gerildiğinde gerçekte ne olduğunun iyi bir görsel anlatımı için mikroskopi verilerine tamamlayıcı olabilir.” diyor. “Bu ışın hattı, yumuşak malzemelerin yapısal ve mekanik özellikleri arasındaki ilişkiyi gözlemlemek için mükemmel bir yol.”
Tedavüldeki hidrojeller, ağırlığa karşı koyarken, durmadan hareket etmesi ve esnemesi gereken dokuları taklit edecek veya bunların yerlerine alacak kadar güçlü veya dayanıklı değiller. Bu sorunların çözümü için UCLA liderliğindeki ekip, daha önce hidrojel üretmek için beraber kullanılmayan moleküler ve yapısal mühendislik yaklaşımlarının bir kombinasyonunu kullandı.
Araştırmacılar, ilk önce, bir süngere benzer, gözenekli ve konsantre polimerlerin oluşumuyla sonuçlanan bir katılaşma prosesi olan “dondurarak döküm” isimli bir metot kullandılar. İkinci olarak, polimer zincirlerini güçlü fibriller halinde bir araya getirmek ve kristalleştirmek için bir “tuzsuzlaştırma” işlemi uyguladılar. Ortaya çıkan yeni hidrojeller, moleküler seviyelerden birkaç milimetreye kadar, birkaç farklı ölçekte bir dizi bağlantı yapısına sahip olurlar. Biyolojik benzeşlerine benzer şekilde bu çoklu yapıların hiyerarşisi, malzemenin daha güçlü ve daha gerilebilir bir yapıda olmasını sağlar.
Ekibin gösterdiği gibi, bu çok yönlü yöntem, insan vücudundaki çeşitli yumuşak dokulara uyum sağlayan ve çeşitli yumuşak malzemeleri kopyalayabilen ve hatta güçlendirebilen, çok çeşitli sertlikte hidrojeller üretmek için oldukça özelleştirilebilir bir yöntem.
Araştırmacılar, hidrojel prototiplerini yapmak için, U.S. Food and Drug Administration tarafından önceden onay almış bir malzeme olan, polivinil alkolü kullandılar. Prototipin dayanıklılığını test ettiler ve 30.000 esneme testi döngüsünden sonra hiçbir bozulma belirtisi gözlemlemediler. Yeni hidrojelin, ışık altında, jelde oluşan mikro/nano yapıları tasdikleyen, gerçek tendonlara benzer canlı bir ışıltı ürettiği görüldü.
Biyomedikal uygulamalarının yanı sıra, bu gelişme, hidrojelin esnekliği sayesinde, sayısız döngüyle işleyen cerrahi makineler veya biyoelektronikler, ve daha önce ulaşılamayan konfigürasyonun üç boyutlu baskısı için potansiyele sahip. Aslında ekip, bu tür üç boyut baskılı sert hidrojel yapıların, çevresel ipuçları üzerine, başka şekillere dönüşebileceğini ve yapay kaslar gibi davranan çok büyük kuvvetler oluşturabileceğini kanıtladı.
Çalışmanın, her ikisi de UCLA’den olan eş başyazarları, malzeme bilimi doktora öğrencisi Mutian Hua ve doktora sonrası akademisyen Shuwang Wu’dur. Diğer yazarlardan birkaçı ise UCLA’den Yanfei Ma, Yusen Zhao, Zilin Chen ve Imri Frenkel; ve Çin’deki Shanghai Jiao Tong University’den Xinyuan Zhu’dur.
Kaynak: technology.org
