Tutkijat kehittivät ihonkaltaisen geelin, joka osaa korjata itse itsensä

Tutkijat ovat kehittäneet hydrogeelin, jonka ainutlaatuinen rakenne yhdistää mekaanisen jäykkyyden, taipuisuuden ja itsekorjautuvuuden. Se on yhtä vahvaa, joustavaa ja pehmeää kuin iho. Ja jos se vaurioituu, se korjaa itsensä lähes täysin vuorokaudessa. Tutkimushanketta johtivat akatemiatutkija Hang Zhang ja professori Olli Ikkala Aalto-yliopistosta sekä professori Josef Breu saksalaisesta Bayreuthin yliopistosta.

Professori Olli Ikkalan mukaan tutkimus on esimerkki siitä, miten biologisten materiaalien ominaisuudet innoittavat meitä kehittämään vastaavia uusia toiminnallisuuksia synteettisiin materiaaleihin.

"Tulevaisuudessa meillä voi olla esimerkiksi robotteja, joilla on kestävä, itsestään paraneva iho, tai synteettisiä kudoksia, jotka korjaavat itse itsensä. Arkielämän sovelluksiin on vielä matkaa, mutta tutkimustulos voi uudistaa tapaa tehdä materiaalisuunnittelua”, Ikkala jatkaa.

Hydrogeeli sisältää veteen liuenneita polymeerejä, ja se on normaalisti pehmeää ja kuohkeaa. Uudessa tutkimuksessaan tutkijat lisäsivät hydrogeeliin pinta-alaltaan erittäin suuria ja samalla superohuita nanolevyjä. Näin saatiin aikaan järjestäytynyt rakenne, jossa nanolevyjen väleissä on valtava määrä toisiinsa kietoutuvia polymeerejä. Tämä paitsi paransi hydrogeelin mekaanisia ominaisuuksia, sai myös aikaan materiaalin itsekorjautumisen.

”Jäykkiä, vahvoja ja itsestään korjaantuvia hydrogeelejä on hyvin vaikea valmistaa. Olemme löytäneet mekanismin, jonka avulla tyypillisesti pehmeitä hydrogeelejä pystyy vahvistamaan. Tämä voi mullistaa uusien, luonnosta inspiraationsa saavien materiaalien kehittämisen”, Zhang mainitsee.

Ihmisen ihon kaltainen rakenne

Hydrogeelejä voidaan hyödyntää esimerkiksi lääkkeiden annostelussa, haavojen parantamisessa, pehmeän robotiikan antureissa ja keinotekoisessa ihossa.

”Yhden millimetrin sisällä on 10 000 nanolevytasoa, mikä tekee materiaalista jäykkää ja venymätöntä kuin ihmisen iho”, Zhang sanoo.

Keinoiho on nykyisin joko hyvin pehmeää ja itsekorjautuvaa tai hyvin jäykkää, jolloin se ei osaa korjata itse itseään.

“Meidän materiaalimme ratkaisee ongelman yhdistämällä kestävyyden riittävään molekyylien liikkuvuuteen, mikä taas mahdollistaa itsekorjautumisen”, Zhang sanoo.

Leipomista ja kynsien lakkausta

Tutkimus alkoi laboratoriossa noin kolme vuotta sitten, ja prosessi on yhtä yksinkertaista kuin leipominen. Tutkijatohtori Chen Liang sekoitti keskenään monomeerejä sisältävää jauhetta ja vettä, jossa on nanolevyjä. Seos laitettiin kynsien geelilakkauksessakin käytettävän UV-lampun alle.

“Lampun UV-säteily saa yksittäiset molekyylit sitoutumaan toisiinsa niin, että siitä tulee elastisen kiinteä geeli”, Liang sanoo.

Nanolevyt on suunnitellut ja valmistanut professori Josef Breu tutkijoineen.

”Keskeistä on, että nämä savenkaltaiset nanolevyt turpoavat veden vaikutuksesta erittäin tasaisesti.  Nanoluokan ilmiötä voisi havainnollistaa vertaamalla sitä tulostuspapereihin, jotka asettuisivat spontaanisti senttimetrin etäisyydelle toisistaan. Polymeeriketjut puristuvat levyjen väleihin ja ketjujen kokema kitka tekee geelistä jäykän”, Breu kuvailee.

Kietoutumisesta korjaantumiseen

Myös materiaalin korjaantumisen salaisuus piilee nanolevyjen järjestäytymisessä sekä niiden väliin kietoutuvissa polymeereissä.

”Ohuet polymeerit liikkuvat toistensa ympärillä kuin kuin mikroskooppiset toisiinsa sotkeutuneet villalankakerät. Näitä polymeerejä on lukemattomia hyvin pienessä tilassa nanolevyjen välissä”, Zhang sanoo.

Kun polymeerit ovat kokonaan kietoutuneita toisiinsa, niitä ei voi enää erottaa toisistaan. Ja kun polymeerit katkaistaan, se on periaatteessa sama kuin leikkaisi nämä langat veitsellä.

“Kun asetamme rikotut pinnat takaisin yhteen, polymeerit ovat hyvin aktiivisia ja liikkuvia molekyylitasolla. Ne alkavat kietoutua uudelleen toisiinsa, ja materiaali korjaantuu itsestään”, Zhang selittää.

Materiaali on neljän tunnin kuluttua korjannut itsensä 80 tai 90 prosenttisesti, ja vuorokauden kuluttua se on tyypillisesti korjaantunut jo kokonaan.

Artikkeli julkaistaan 7. maaliskuuta Nature Materials -lehdessä.