Les chercheurs de Northwestern Engineering ont développé un modèle théorique pour concevoir des matériaux mous qui démontrent des propriétés oscillantes autonomes qui imitent les fonctions biologiques. Les travaux pourraient faire progresser la conception de matériaux réactifs utilisés pour fournir des traitements ainsi que pour des matériaux mous de type robot qui fonctionnent de manière autonome.

La conception et la synthèse de matériaux dotés de fonctions biologiques nécessitent un équilibre délicat entre forme structurelle et fonction physiologique. Au cours du développement embryonnaire, par exemple, des feuilles plates de cellules embryonnaires se transforment à travers une série de plis en structures tridimensionnelles complexes telles que des branches, tuyaux, et des sillons. Ces, à son tour, devenir dynamique, blocs de construction tridimensionnels pour les organes remplissant des fonctions vitales comme le rythme cardiaque, absorption des nutriments, ou le traitement de l'information par le système nerveux.

De tels processus de mise en forme, cependant, sont contrôlés par des événements de signalisation chimiques et mécaniques, qui ne sont pas entièrement compris au niveau microscopique. Pour combler ce fossé, des chercheurs dirigés par Monica Olvera de la Cruz ont conçu des systèmes informatiques et expérimentaux qui imitent ces interactions biologiques. Hydrogels, une classe de matériaux polymères hydrophiles, ont émergé comme des candidats capables de reproduire des changements de forme lors de stimulations chimiques et mécaniques observées dans la nature.

Les chercheurs ont développé un modèle théorique pour une coque à base d'hydrogel qui a subi des changements morphologiques autonomes lorsqu'elle est induite par des réactions chimiques.

"Nous avons découvert que les produits chimiques modifiaient le microenvironnement du gel local, permettant le gonflement et le dégonflement des matériaux par sollicitations chimio-mécaniques de manière autonome, " dit de la Cruz, Avocat Taylor Professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering. "Cela a généré un changement morphologique dynamique, y compris des oscillations périodiques rappelant les battements cardiaques trouvés dans les systèmes vivants."

Un document, intitulé "Formation de motifs chimiquement contrôlés dans des coques élastiques auto-oscillantes, " a été publié le 1er mars dans la revue PNAS . Siyu Li et Daniel Matoz-Fernandez, stagiaires postdoctoraux dans le laboratoire d'Olvera de la Cruz, étaient les co-premiers auteurs de l'article.

Dans l'étude, les chercheurs ont conçu une coque polymère sensible aux produits chimiques destinée à imiter la matière vivante. Ils ont appliqué les propriétés mécaniques à base d'eau de la coque d'hydrogel à une espèce chimique, une substance chimique qui produit un comportement à motifs spécifiques - dans ce cas, oscillations ondulatoires—situées à l'intérieur de la coquille. Après avoir mené une série de réactions de réduction-oxydation - une réaction chimique qui transfère des électrons entre deux espèces chimiques - la coquille a généré des microcompartiments capables de se dilater ou de se contracter, ou induisant un comportement de flambement-déflambage lorsqu'une instabilité mécanique a été introduite.

"Nous avons couplé la réponse mécanique de l'hydrogel aux changements de concentration des espèces chimiques dans le gel en tant que boucle de rétroaction, " a déclaré Matoz-Fernandez. " Si le niveau de produits chimiques dépasse un certain seuil, l'eau est absorbée, gonfler le gel. Quand le gel gonfle, l'espèce chimique se dilue, déclencher des processus chimiques qui expulsent l'eau du gel, donc contracter le gel."

Le modèle des chercheurs pourrait être utilisé comme base pour développer d'autres matériaux souples démontrant diverses, changements morphologiques dynamiques. Cela pourrait conduire à de nouvelles stratégies d'administration de médicaments avec des matériaux qui améliorent la vitesse de diffusion des produits chimiques compartimentés ou libèrent des cargaisons à des vitesses spécifiques.

"On pourrait, en principe, concevoir des microcompartiments catalytiques qui se dilatent et se contractent pour absorber ou libérer des composants à une fréquence spécifique. Cela pourrait conduire à des actions plus ciblées, thérapies basées sur le temps pour traiter la maladie, " dit Li.

Les travaux pourraient également éclairer le développement futur de matériaux souples dotés de fonctionnalités de type robot fonctionnant de manière autonome. Ces « robotiques douces » ont émergé comme des candidats pour soutenir la production chimique, outils pour les technologies environnementales, ou des biomatériaux intelligents pour la médecine. Pourtant, les matériaux reposent sur des stimuli externes, comme la lumière, Pour fonctionner.

« Notre matériel fonctionne de manière autonome, il n'y a donc pas de contrôle externe impliqué, " dit Li. "En 'piquant' la coquille avec une réaction chimique, vous déclenchez le mouvement."

Les chercheurs prévoient de s'appuyer sur leurs découvertes et de combler davantage le fossé entre ce qui est possible dans la nature et le laboratoire scientifique.

"L'objectif à long terme est de créer des hydrogels autonomes capables de remplir des fonctions complexes déclenchées par des indices aussi simples qu'une déformation mécanique locale, " a déclaré Olvera de la Cruz.