Ученые создали растяжимый гель

Вне больничных столовых, где желе является стандартным и непопулярным видом десерта, гидрогели (основанные на воде) приобретают уважение всего медицинского сообщества. Благодаря финансированию со стороны Национального научного фонда, группа инженеров из Гарвардского университета под руководством кандидата наук Жигань Суо, создала новый гидрогель, который в будущем, возможно, будет использован в качестве заменителя для поврежденных хрящей и межпозвоночных дисков.

Основные преимущества нового гидрогеля это его растяжимость и жесткость. Его можно растянуть в 20 раз больше его начальной длины. В то же время, гель невероятно жесткий в механическом смысле, что означает, что он может поглощать достаточно большое количество энергии от внезапных ударов и потрясений, перед тем как разрушиться. Между прочим, материал гидрогеля в 10 раз крепче, чем человеческие хрящи. Что действительно делает этот гидрогель особенным, так это его способность самовосстанавливаться или возвращаться к своей первоначальной форме, что позволяет сохранять ту же жесткость даже после многих растяжек.

Так как главной составляющей гидрогеля является вода, он держится благодаря полимерам (цепочкам молекул). В 2003 году, Янь Пин Гонг, ученый университета Хоккайдо в Японии, специализирующийся на изучении веществ, первым предложил идею объединения полимеров двух типов (длинные и короткие цепочки полимеров) в один гидрогель. Суть идеи заключалась в том, что когда на гель воздействует какая-либо сила, сеть длинных цепочек полимеров останется неповрежденной и обеспечит растяжимость, в то время как сеть коротких цепочек полимеров обеспечит жесткость.

Но существовала проблема с комбинацией полимеров: как только сеть коротких цепочек полимеров окончательно разрушалась, гель тоже повреждался, и его восстановление не представлялось возможным. Без сети коротких цепочек полимеров вся структура геля становилась хрупкой.

«Если хрупкий гель получит хоть малейшую трещину, он полностью порвется, даже при минимальной нагрузке», заявил Йеонг-Юнь Сун, постдокторант в лаборатории Суо и первый автор отчета об исследовании.

Самовосстанавливающийся компонент морских водорослей добавляет прочность
Новый гидрогель, созданный командой из Гарварда, решил проблему с сетью коротких цепочек полимеров благодаря альгинату, полимеру, добываемому из морских водорослей. Альгинат чаще всего используется как загуститель в еде и напитках, но так же может быть обнаружен во многих предметах, от бумаги до перевязочного материала.

Исследователи выбрали альгинат из-за его уникальной химической структуры. Он соединяется слабыми связями, которые легко ломаются и исправляются, что является особенностью, позволяющей самовосстанавливаться после малейшего растяжения. Однако, один лишь альгинат не может выдержать сильного растяжения, не порвавшись.

Исследователи считают, что в комбинации с длинными цепочками полимеров, которые помогают распределить растяжение на большую поверхность геля, самовосстанавливающаяся прочность альгината дает новому веществу неоспоримое преимущество перед гелями, которые содержат только один из этих компонентов.

Важно, что и альгинат и длинные цепочки полимеров, использованные в геле, являются биосовместимыми, то есть безопасными для человеческого тела. Таким же является и новый гидрогель, согласно результатам предварительных исследований. Поэтому, вполне возможно включать новый гидрогель в состав медицинских имплантатов, которые должны быть прочными, но в то же время гибкими.

Пока Суо размышляет над тем, что эта работа может повлиять на различные продукты, такие как беговые кроссовки и велосипедные шлемы, следующим шагом его команды будет разобраться в том, как именно каждый из компонентов гидрогеля обеспечивает его растяжимость и прочность.

«Мы работаем над изменением состава компонентов геля, чтобы выявить новые связи,» говорит Суо. «Мы хотим посмотреть, сможем ли мы еще улучшить качества этого гидрогеля.»