ما در زندگی روزمره خود با انواع مختلف ژل‌ها، مانند محصولات مو، مواد غذایی و حتی در بدن خود، مواجه می‌شویم. با این حال، پوست انسان دارای خواص منحصر به فردی است که تکرار آن دشوار است—این ماده هم استحکام و هم انعطاف‌پذیری را با هم ترکیب می‌کند و در عین حال توانایی قابل توجهی برای ترمیم خود در عرض ۲۴ ساعت پس از آسیب دارد. ژل‌های مصنوعی ساخته‌شده تاکنون فقط توانسته‌اند به یکی از این ویژگی‌ها دست یابند.
دانشمندان دانشگاه آلتو و دانشگاه بایرویت اکنون از این مرزها عبور کرده‌اند. یک نقطه عطف مهم در علم مواد پس از توسعه یک هیدروژل خودترمیم، انعطاف‌پذیر و قوی حاصل شده است. این دستاورد دریچه‌ای نو به سوی امکانات جدیدتر در زمینه‌های ترمیم زخم، رباتیک نرم، پوست مصنوعی و دارورسانی می‌گشاید.
یک پیشرفت در طراحی هیدروژل
برای دستیابی به این ویژگی‌ها در هیدروژل سخت، محققان از نانوشیت‌های رسی فوق‌العاده نازک استفاده کردند. این ورقه‌ها یک شبکه متراکم درهم‌تنیده از پلیمرها ایجاد کردند که هیدروژل‌ها را تقویت کرده و از نرم شدن بیش از حد آن‌ها جلوگیری می‌کند. آن‌ها همچنین توانایی ژل را برای خودترمیمی افزایش دادند.
محققان پودری از مونومرها را با آب حاوی نانوشیت‌ها مخلوط کردند. سپس مخلوط زیر لامپ UV قرار گرفت. چن لیانگ، یکی از نویسندگان، توضیح می‌دهد: «تابش UV از لامپ باعث می‌شود که مولکول‌های منفرد به هم متصل شوند، به طوری که همه چیز به یک جامد الاستیک - یک ژل - تبدیل می‌شود.»
نوآوری مورد بحث به شدت به فعل و انفعالات بعدی پلیمرها متکی است. هانگ ژانگ از دانشگاه آلتو می‌افزاید: «درهم‌تنیدگی به این معنی است که لایه‌های نازک پلیمری شروع به پیچیدن در اطراف یکدیگر مانند نخ‌های پشمی ریز می‌کنند، اما به صورت تصادفی. هنگامی که پلیمرها کاملاً درهم‌تنیده می‌شوند، غیرقابل تشخیص از یکدیگر هستند. آن‌ها در سطح مولکولی بسیار پویا و متحرک هستند و وقتی آن‌ها را برش می‌دهید، دوباره شروع به درهم‌تنیده شدن می‌کنند.»
فرآیند بهبودی به طرز شگفت‌انگیزی سریع است. هیدروژل در چهار ساعت اول پس از برش، ۸۰ تا ۹۰ درصد ترمیم می‌شود و پس از بیست و چهار ساعت به طور کامل ترمیم می‌شود. این هیدروژل در نمونه‌ای به ضخامت یک میلی‌متر، حدود ۱۰,۰۰۰ لایه نانوشیت دارد که به آن اجازه می‌دهد به سفتی مشابه پوست انسان دست یابد و در عین حال قابلیت کشش داشته باشد.
مواد الهام‌گرفته از طبیعت با پتانسیل دنیای واقعی
اولی ایکالا از دانشگاه آلتو می‌گوید: «این کار نمونه‌ای هیجان‌انگیز از این است که چگونه مواد بیولوژیکی به ما الهام می‌بخشند تا به دنبال ترکیبات جدیدی از خواص برای مواد مصنوعی باشیم. ربات‌هایی با پوست‌های مقاوم و خودترمیم یا بافت‌های مصنوعی را تصور کنید که به طور خودکار ترمیم می‌شوند.»
«این نوعی کشف بنیادی است که می‌تواند قوانین طراحی مواد را تجدید کند.»
پس از توسعه و تحقیقات بیشتر برای اهداف تجاری، بافت‌های مصنوعی خودترمیم، ربات‌های انعطاف‌پذیر با لایه‌های بیرونی محافظ و مواد پزشکی که می‌توانند به طور خودکار آسیب را ترمیم کنند، از این مطالعه سود خواهند برد.
ژانگ نتیجه می‌گیرد: «هیدروژل‌های سفت، قوی و خودترمیم مدت‌ها یک چالش بوده‌اند. ما مکانیزمی برای تقویت هیدروژل‌های نرم معمولی کشف کرده‌ایم. این می‌تواند توسعه مواد جدید با خواص الهام‌گرفته از زیست را متحول کند.»
این مطالعه در مجله Nature Materials منتشر شده است.