Czym są materiały samonaprawiające?

Tkanka biologiczna posiada niezwykłą zdolność do regeneracji po uszkodzeniach poprzez złożoną serię kroków, umożliwiając tym samym powrót do początkowego stanu. W ostatnich latach naukowcy starają się odtworzyć właściwości samoregeneracji w materiałach syntetycznych, co przyniosłoby wiele korzyści, a także otworzyło nowe możliwości. Materiał samonaprawiający może się odnowić, gdy obiekt zostanie uszkodzony. Inicjowanie mechanizmu samonaprawy odbywa się po naruszeniu struktury materiału, np. w wyniku uszkodzeń mechanicznych, naprężenia czy starzenia się. Celem jest przywrócenie pierwotnych właściwości mechanicznych i funkcjonalności. Idealny materiał samonaprawiający powinien spontanicznie, bez żadnego zewnętrznego działania, odzyskać swoje cechy i integralność w minimalnym czasie – niezbędnym po doznaniu uszkodzenia – i powtarzać to niezliczoną ilość razy.

Hydrożel, który może się samoistnie regenerować jak skóra

Naukowcy z Uniwersytetu Aalto w Finlandii i Uniwersytetu Bayreuth w Niemczech osiągnęli niezwykły przełom w nauce o materiałach, opracowując nowy hydrożel, który ma wyjątkową zdolność do samonaprawy, podobnie jak ludzka skóra. Ten materiał wyróżnia się nie tylko właściwościami samoregeneracji, ale także wyjątkową wytrzymałością i elastycznością, co stanowi ważny krok w dziedzinie tworzyw syntetycznych. Nowy żel powstał poprzez zmieszanie roztworu sproszkowanego monomeru z wodą zawierającą bardzo cienkie nanopłytki hektorytu – minerału gliny (tworzącego pewnego rodzaju rusztowanie). Mieszaninę poddano działaniu promieniowania UV. W efekcie powstała struktura nanopłytek i polimerów, które są między nimi splątane. Promieniowanie UV powoduje, że poszczególne cząsteczki wiążą się ze sobą, dzięki czemu wszystko staje się elastycznym ciałem stałym – żelem. Splątanie oznacza, że ​​cienkie warstwy polimeru zaczynają się okręcać wokół siebie, w losowej kolejności. Gdy polimery są całkowicie splątane, nie można ich od siebie odróżnić. Są bardzo dynamiczne i mobilne na poziomie molekularnym, a po przecięciu – zaczynają się ponownie splatać. Dzięki tej konstrukcji właściwości hydrożelu są znacznie ulepszone – materiał jest nie tylko wzmocniony mechanicznie, ale także zdolny do samonaprawy, naśladując skuteczne mechanizmy gojenia występujące w tkankach biologicznych. Żel może regenerować się w 90% w ciągu 4 godzin. Do pełnej samonaprawy potrzeba 24 godzin.

Nowe możliwości

Żele mają wiele zalet, takich jak biokompatybilność, transport składników odżywczych czy przewodnictwo jonowe. Zespół naukowców z Finlandii i Bawarii, który stworzył innowacyjny hydrożel, przekonuje, że znajdzie on zastosowanie w wielu dziedzinach. Samonaprawiające się miękkie materiały obiecują duży potencjał, np. w sztucznej skórze, miękkiej robotyce oraz zastosowaniach biomedycznych. Odkrycia i rozwój substancji samonaprawiających doprowadziły do ​​wzrostu zainteresowania tą dziedziną. Unikatowe cechy powodują, że są obiecującymi materiałami do zastosowań biomedycznych, ale ich ograniczenia mechaniczne niekiedy uniemożliwiają im osiągnięcie pełnego potencjału. Ciekawym pomysłem jest wykorzystanie ich w koncepcji sztucznej skóry. Syntetyczny materiał o znacznej wytrzymałości i właściwościach samonaprawiających prawdopodobnie będzie motorem innowacji zarówno w opiece zdrowotnej, jak i np. projektowaniu robotów. Przypuszczalnie równie ważną rolę materiały samonaprawiające mogą odegrać w inżynierii tkankowej. Istnieje duża potrzeba na nowe rozwiązania w obszarze leczenia i regeneracji uszkodzonych tkanek, a także innowacyjnych implantów. Inne potencjalne zastosowania to transport leków, regeneracja kości czy innowacyjne opakowania leków.