Material semelhante ao músculo se expande e se contrai em resposta à luz

Representação da estrutura de um polímero

Assim como os medicamentos de liberação controlada distribuem lentamente sua carga depois que experimentam uma mudança de pH no corpo, os "músculos artificiais" implantados poderiam, um dia, flexionar e relaxar em resposta à luz que ilumina a pele. Em estudos piloto, os cientistas desenvolveram um novo material que se expande e se contrai, levantando um peso meramente iluminando-o.

Os pesquisadores apresentarão seus resultados hoje na Reunião e Exposição Nacional da American Chemical Society (ACS) Spring 2019.

"Nós desenvolvemos um novo polímero que tem um novo mecanismo para materiais atuantes - fazendo materiais encolher, expandir ou manter uma 'memória' de uma forma particular - tudo com um simples estímulo", diz Jonathan Barnes, Ph.D.

Os materiais responsivos aos estímulos foram aplicados em muitos setores diferentes até o momento. Por exemplo, alguns deles mudam de cor e são usados ​​como revestimentos de pára-brisa para sombrear instantaneamente os motoristas ao sol ofuscante. Outros materiais podem ser formados em vasos que respondem a mudanças nas concentrações de nutrientes e alimentam as culturas agrícolas conforme necessário. Ainda outras aplicações estão na área biomédica.

Barnes e sua equipe na Universidade de Washington em St. Louis (WUSTL) estão executando seu novo polímero ao longo de seus ritmos para determinar o que é particularmente adequado para. Mas o objetivo principal foi ver se o material pode funcionar, uma característica que poderia facilitar o desenvolvimento de um músculo artificial.

Durante a pós-graduação, Barnes estudou um grupo de moléculas, conhecidas como viologens, que mudam de cor com a adição e subtração de elétrons. Barnes suspeitava que, se essas moléculas estivessem ligadas, elas se dobrariam como um acordeão, porque as áreas que aceitam um único elétron se reconhecem. Ele também se perguntou se a ação das moléculas dobráveis ​​poderia fazer uma rede 3D se mover, e se ele poderia tornar o processo reversível.

Para resolver esses problemas, a equipe da Barnes na WUSTL sintetizou cadeias poliméricas com viologens em seus backbones. Quando uma luz LED azul brilhava nas moléculas, elas se transformavam em pregas com a ajuda de catalisadores de foto-oxidação bem conhecidos que podem transferir elétrons para os viologens. Em seguida, os pesquisadores incorporaram os polímeros em um hidrogel 3D flexível e solúvel em água. Quando a equipe lançou luz sobre o gel, o efeito de acordeão que ocorreu dentro da molécula puxou o gel sobre si mesmo, fazendo com que o material encolhesse a um décimo de seu tamanho original. Quando a luz foi desligada, o material se expandiu. Como o hidrogel incorporado ao polímero mudou de forma, também mudou de cor.

"A beleza do nosso sistema é que podemos pegar um pouco do nosso polímero, chamado polyviologen, e colocá-lo em qualquer tipo de rede 3D, transformando-o em um material responsivo a estímulos", diz Barnes. Menos de um por cento do peso do hidrogel precisa conter polyviologen para obter uma resposta. Assim, o polímero não impõe um efeito significativo sobre as outras propriedades do material em que está contido.

Para descobrir se o material poderia funcionar, o grupo anexou o gel a uma tira de fita isolante com um pedaço de arame no final. Eles suspenderam um pequeno peso do arame e penduraram o hidrogel na frente de uma luz azul. O gel levantou o peso - que era cerca de 30 vezes a massa dos poliviologos embutidos - e depois de cinco horas, subiu vários centímetros.

O grupo agora fez outros ajustes, incluindo tornar os géis mais fortes e elásticos, e fazê-los se moverem mais rápido. E os pesquisadores desenvolveram polímeros que respondem a múltiplos estímulos de uma só vez. Eles também construíram géis que respondem à luz em diferentes comprimentos de onda. Materiais que respondem à luz vermelha ou infravermelha próxima, que pode penetrar no tecido humano, podem ser usados ​​em aplicações biomédicas, como dispositivos de liberação de drogas ou, eventualmente, como músculos artificiais.

Barnes diz que seu grupo apenas começou a testar os limites desses novos materiais. Atualmente, a equipe está estudando as propriedades de auto-cura de hidrogéis embutidos em polivologênios, e eles estão explorando a possibilidade de imprimir em 3D os polímeros em diferentes tipos de materiais.

Fonte:

www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190402081554.htm