Spagetti Benzeri Karmaşık Mikrofiberler ve Su, Gelecek Vadeden Yeni Bir Materyale Dönüşüyor
Fotoğraf: Princeton araştırmacıları, esnek bir maddenin ince liflerini (fiber) bir şırıngadan geçirerek hidrojel olarak bilinen çok kullanışlı bir materyal ürettiler. Bu keşfin dikkat çekici yanı, canlı dokulara benzer, enjekte edilebilen hidrojeller üretmek için yeni bir yöntem olması.
Princeton araştırmacıları, uzun plastik liflerin suya batırıldıklarında, bu esnek lif tellerinin bir spagetti gibi karıştıklarını keşfetti. Dağınık bir karışıklıktan çok, aslında bu ürün, hidrojel olarak bilinen oldukça kullanışlı bir malzemedir.
50 yıldır araştırılan hidrojel; yumuşak, gözenekli bir yapıya sahip olması ve büyük bir kısmının sudan oluşması nedeniyle kısmen canlı dokuya benzer. Bu sayede hidrojeller; yapay doku mühendisliği, sürdürülebilir ilaç sağlama, cerrahi yapışkanlar ve 3 boyutlu biyo yazdırma gibi alanlarda bazı kısımların oluşturulmasında giderek daha fazla kullanılmaktadır.
Normalde, hidrojel üretilebilmesi için, bir grup aktif madde arasında kimyasal reaksiyonlar ve etkileşimlerin olması gerekir. Ancak yeni Princeton hidrojeli, sadece; bir şırıngadan geçirilen liflerin, birbirlerine zıt yönde hareket etmesi sonucu kayganlaştırma etkisiyle oluşur. Bu kimyasal içermeyen yöntemin, yaraları tıkamak ve tedavi etmek gibi görevleri yerine getiren yeni bir enjekte edilebilen hidrojel sınıfını oluşturması muhtemel.
Antonio Perazzo, bu fikri, National Academy of Sciences’ın bildiriler kitabının eylül ayı sayfasının bir baş köşe yazısında, “Bu kadar esnek lifler içeren süspansiyonlarda maddenin akışı incelenmek hiç bu kadar kolay olmamıştı” diyerek anlatıyor ve sonuçları yorumluyor: “Yeni araştırmalar yapmayı sürdürmek bize, bu örneğine rastlanmamış akış kaynaklı jelleşme sonucunu verdi.”
Perazzo, laboratuvarda, makalenin ortak yazarı olan Princeton’daki Mekanik ve Havacılık Mühendisliği Profesörü Howard Stone ile doktora sonrası araştırma ortağıdır. Perazzo, Stone’un laboratuvarına ilk olarak konuk doktora öğrencisi olarak başladı. Yardımcı yazar ve İtalya’daki Napoli Üniversitesi’nde Kimya Mühendisliği profesörü olan Stefano Guido, Perazzo’nun doktora danışmanlığını yaptı.
Princeton’daki Stone laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı ve aynı zamanda makalenin yardımcı yazarı olan Janine Nunes, “Ayrıca; lif süspansiyonu, formu tamamen oluşmuş, yumuşak ve genleşebilir bir jel şeklinde şırınga iğnesi ile ekstrüzyona tabi tutulabilir” diyor. Nunes, “Hidrojel oluşturmak için bu kolay yol, biyotıpta çok fazla uygulamayı geliştirebilir” diye ekliyor.
Liflerin sağlamlaşmasına ve gerilim altında jel oluşturmasına neden olan olay kayma yoğunlaşması (shear thickening) olarak bilinir. Normalde, liflerden ve sudan oluşan bir karışım, kayma yoğunlaşmasına zıt olan bir etkiye uğrayacak ve daha az yoğun ya da viskoz hale gelecektir; baskı uygulandığında ise, bir kaşığın bir kase erişte çorbasına nasıl daldığını düşünün.
Ancak bazı karışımlar, beklenmedik şekilde yoğunlaşabilir. Muhtemelen en iyi bilinen örnek mısır nişastası ve sudur. Hafif gerilim altında nişasta tanecikleri, bir insanın nişasta dolu suya basabileceği ve hemen batmayacağı kadar güçlü bir şekilde bağlanır.
Perazzo, “YouTube, mısır nişastasıyla doldurulmuş yüzme havuzlarının üzerinde yürüyen insanların videolarıyla dolu. İnsanlar havuzda hızlı yürürlerse batmazlar. Çünkü yürüme sırasında viskozite artar, kayma yoğunlaşması olur” diyor.
Princeton araştırmacıları, bu etkinin, Nunes’un laboratuvarda toksik olmayan, esnek ve biyouyumlu bir plastik olan poli-etilen glikol diakrilatla (PEG-DA) yaptığı mikrofiberlerde nasıl gerçekleştiğini inceledi. Liflerin çapı 35 mikrometre ve uzunlukları yaklaşık 12 milimetre veya genişliklerinin yaklaşık 340 katı olarak ölçülmüştür. Başlangıçta suyun içine konulduklarında, bu lifler serbestçe akan, ayrılmamış bir haldeydiler. Sonrasında Perazzo, süspansiyonu, sıvıların uygulanan kuvvete nasıl tepki verdiğini ölçen bir reometre adı verilen bir aygıta döktü. Karışım, iki plaka arasında bulunan boşluğa dolduruldu; alt plaka hareketsiz dururken, üst plaka döndürülürerek, basınç uygulandı ve lifler ve suyun etrafında girdap oluşturuldu.
Akan sıvı içinde bükülen lifler, birbirlerine tutunuyor, düğümleniyor ve ilmek oluşturuyorlardı. Sudan ayrılmış ve içlerine biraz su hapsedilmiş parçalanmış liflerin giderek artan miktarı, su dolu bir ağ oluşturdu ve malzemeye yapış yapış yarı akışkan viskoz olan hidrojel benzeri özellikler kazandırdı. Bu özellikler, mikrofiberlerin birbirine tutunma davranışını etkileyen çap ve uzunluklarının ayarlanmasıyla değiştirilebilir.
Delaware Üniversitesi’nden araştırmaya dahil olmayan, Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü başkanı Norman Wagner, hidrojel malzeme üretiminin, akış alanı oluşturulmasıyla başlatılan yeni, mikro-yapılandırılmış maddeleri, yaratıcı ve özgün olarak nitelendirdi.
Wagner, “Shake-gel (çalkalanmış jel) oluşturan, yani kimyasal-akış ile birleşmiş, kendiliğinden oluşan birçok yüzey aktif madde ve polimer kolloid sistemler var. Ancak bu madde sistemi, yapı sayesinde çok basit hale geldi – açıkçası zekice” dedi.
İleriki araştırmalar, beklenildiği gibi, malzemenin bir şırınga içerisinden geçerken jelasyonunu optimize etmeye yönelik olacak ve kayma yoğunlaşmasının mekaniğini inceleyecektir. Araştırmacılar ayrıca, süspansiyonun ilgili bir dizi uygulama için antibiyotikler, besin maddeleri veya biyomoleküller gibi parçacıklarla birleştirilip birleştirilemeyeceğine ilişkin araştırmalar yapmak istiyorlar.
Stone, “Kolaylıkla enjekte edilebilen bu hidrojellerin farklı tür ilaçlar da dahil olmak üzere, örneğin yara iyileşmesine faydalı ilaçların yapımında kullanılmaya başladığını gözümüzde canlandırabiliriz” dedi. “Bu özelliklere sahip bir maddeden elde edebileceğiniz çok sayıda işlevlilik var.”
Daha fazla bilgi için: Antonio Perazzo ve ark. Akışkan mikrofiber süspansiyonların jelasyonu, Proceedings of the National Academy of Sciences (2017). DOI: 10.1073 / pnas.1710927114
Kaynak : phys.org
