设计模仿生物学功能的软材料

西北工程研究人员开发了一种理论模型来设计软材料，这些材料表现出模仿生物功能的自主振动特性。这项工作可能会促进用于提供治疗的反应性材料以及自主操作的类似机器人的软性材料的设计。

具有生物学功能的材料的设计和合成需要结构形式和生理功能之间的精细平衡。例如，在胚胎发育过程中，胚胎细胞的扁平片通过一系列折叠变形为复杂的三维结构，例如分支，管和犁沟。这些反过来又成为动态的三维构建基块，使器官可以执行重要功能，如心跳，营养吸收或神经系统的信息处理。

然而，这种形状形成过程是由化学和机械信号事件控制的，这在微观水平上还没有被完全理解。为了弥合这一差距，由莫妮卡·奥尔维拉·德拉克鲁兹(Monica Olvera de la Cruz)领导的研究人员设计了模拟这些生物相互作用的计算和实验系统。水凝胶是一类亲水性聚合物材料，已成为能够在自然界中观察到的化学和机械刺激下再现形状变化的候选物。

研究人员开发了一种基于水凝胶的壳的理论模型，该壳在受到化学反应诱导时会发生自主的形态变化。

麦考密克工程学院律师泰勒材料科学与工程学教授德拉克鲁兹说：“我们发现这些化学物质改变了局部凝胶的微环境，使材料能够通过化学机械应力以自发的方式膨胀和溶胀。” “这产生了动态的形态变化，包括使人想到生命系统中的心跳的周期性振荡。”

3月1日，一篇题为“自振荡弹性壳中的化学控制图案形成”的论文发表在PNAS杂志上。Olvera de la Cruz实验室的博士后研究员Siyu Li和Daniel Matoz-Fernandez是该论文的第一作者。

在这项研究中，研究人员设计了一种化学反应性聚合物外壳，旨在模仿生物物质。他们将水凝胶壳的水基机械性能应用于一种化学物质，这种化学物质会在壳内产生特定的图案化行为(在这种情况下为波状振荡)。在进行了一系列还原-氧化反应(一种在两种化学物质之间转移电子的化学反应)之后，当引入机械不稳定性时，壳生成了能够膨胀或收缩或引起屈曲-屈曲行为的微室。

Matoz-Fernandez说：“我们将水凝胶的机械响应与凝胶中化学物质浓度的变化耦合在一起，作为反馈回路。” “如果化学物质的含量超过一定阈值，水就会被吸收，使凝胶溶胀。当凝胶膨胀时，化学物质就会被稀释，从而触发化学过程，从而排出凝胶中的水，从而使凝胶收缩。”

研究人员的模型可以用作开发显示各种动态形态变化的其他软材料的基础。这可能会导致采用新的药物输送策略，并采用能够提高分隔的化学品扩散速率或以特定速率释放货物的材料。

他说：“原则上，人们可以设计催化性的小隔间，它们可以膨胀和收缩，以特定的频率吸收或释放成分。这可以导致针对性更强，基于时间的疗法来治疗疾病。”

这项工作还可以为具有自主运行的类似机器人功能的软材料的未来发展提供信息。这些“软机器人”已经成为支持化学生产，用于环境技术的工具或用于医学的智能生物材料的候选对象。然而，材料依靠外部刺激(例如光)来发挥作用。

李说：“我们的材料是自主运行的，因此不涉及外部控制。” “通过与化学反应'戳'外壳，您可以触发机芯。”

研究人员计划以他们的发现为基础，并进一步缩小自然界与科学实验室之间的差距。

Olvera de la Cruz说：“长远的目标是创造能够执行由线索触发的复杂功能的自主水凝胶，这些线索的作用就像局部机械变形一样简单。”

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