Tout comme les médicaments à libération contrôlée distribuent lentement leur cargaison après avoir subi un changement de pH dans le corps, Les « muscles artificiels » implantés pourraient un jour fléchir et se détendre en réponse à la lumière éclairant la peau. Dans les études pilotes, les scientifiques ont développé un nouveau matériau qui se dilate et se contracte, soulever un poids simplement en l'éclairant.

Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd'hui lors de la réunion et exposition nationale du printemps 2019 de l'American Chemical Society (ACS).

« Nous avons développé un nouveau polymère doté d'un nouveau mécanisme d'actionnement des matériaux :faire rétrécir les matériaux, développer ou conserver une « mémoire » d'une forme particulière, le tout avec un simple stimulus, " dit Jonathan Barnes, doctorat

Des matériaux sensibles aux stimuli ont été appliqués dans de nombreuses industries différentes à ce jour. Par exemple, certains d'entre eux changent de couleur et sont utilisés comme revêtements de pare-brise pour protéger instantanément les conducteurs du soleil aveuglant. D'autres matériaux peuvent être transformés en récipients qui réagissent aux changements de concentrations de nutriments et nourrissent les cultures agricoles selon les besoins. D'autres applications encore sont dans le domaine biomédical.

Barnes et son équipe de l'Université de Washington à St. Louis (WUSTL) mettent leur nouveau polymère à l'épreuve pour déterminer à quoi il est particulièrement adapté. Mais l'objectif principal a été de voir si le matériau peut fonctionner, un trait qui pourrait faciliter le développement d'un muscle artificiel.

Au cours des études supérieures, Barnes a étudié un groupe de molécules, appelés viologènes, qui changent de couleur avec l'addition et la soustraction d'électrons. Barnes soupçonnait que si ces molécules étaient liées entre elles, ils se plieraient en accordéon car les zones qui acceptent un seul électron se reconnaissent. Il s'est également demandé si l'action des molécules de repliement pouvait faire bouger un réseau 3D, et s'il pouvait rendre le processus réversible.

Pour résoudre ces problèmes, L'équipe de Barnes au WUSTL a synthétisé des chaînes polymères avec des viologènes dans leurs épines dorsales. Lorsqu'une lumière LED bleue a été allumée sur les molécules, ils se sont pliés en plis à l'aide de catalyseurs photorédox bien connus qui peuvent transférer des électrons aux viologènes. Les chercheurs ont ensuite incorporé les polymères dans un flexible, hydrogel 3-D soluble dans l'eau. Quand l'équipe a éclairé le gel, l'effet accordéon qui s'est produit au sein de la molécule a tiré le gel sur lui-même, provoquant le ratatinage du matériau jusqu'à un dixième de sa taille d'origine. Quand la lumière s'est éteinte, le matériau s'est dilaté. Au fur et à mesure que l'hydrogel enrobé de polymère change de forme, il a aussi changé de couleur.

"La beauté de notre système est que nous pouvons prendre un peu de notre polymère, appelé polyviologène, et le mettre dans n'importe quel type de réseau 3D, le transformer en un matériau sensible aux stimuli, " dit Barnes. Moins d'un pour cent du poids de l'hydrogel doit contenir du polyviologène pour obtenir une réponse. Ainsi, le polymère n'impose pas d'effet significatif sur les autres propriétés du matériau dans lequel il est contenu.

Pour savoir si le matériau peut fonctionner, le groupe a attaché le gel à une bande de ruban électrique avec un morceau de fil à la fin. Ils ont suspendu un petit poids au fil et ont suspendu l'hydrogel devant une lumière bleue. Le gel a soulevé le poids - qui était environ 30 fois la masse du polyviologène incorporé - et après cinq heures, il s'est élevé de plusieurs centimètres.

Le groupe a maintenant fait d'autres ajustements, y compris rendre les gels plus forts et plus élastiques, et les faire avancer plus vite. Et les chercheurs ont développé des polymères qui répondent à plusieurs stimuli à la fois. Ils ont également construit des gels qui répondent à la lumière à différentes longueurs d'onde. Matériaux qui répondent à la lumière rouge ou proche infrarouge, qui peut pénétrer dans les tissus humains, pourrait être utilisé dans des applications biomédicales, tels que les dispositifs d'administration de médicaments ou, finalement, comme muscles artificiels.

Barnes dit que son groupe a seulement commencé à tester les limites de ces nouveaux matériaux. Actuellement, l'équipe étudie les propriétés d'auto-guérison des hydrogels enrobés de polyviologène, et ils explorent la possibilité d'imprimer en 3D les polymères dans différents types de matériaux.