IJzersterke hydrogel

Geschreven door op sep 6, 2012 in Moleculen en materialen | 2 reacties
IJzersterke hydrogel

Het is sterker dan kraakbeen, is uitrekbaar tot 21 keer de oorspronkelijke lengte en veert vervolgens gewoon weer terug. Waar dit over gaat? De oersterke hydrogel die wetenschappers van de Harvard Universiteit maakten. Het spul moet beschadigd kraakbeen in menselijke gewrichten gaan vervangen.

Hydrogels – oplossingen van een polymeer in water – staan op het punt door te breken in de geneeskunde en in de weefstechnologie. Denk maar aan een toepassing als kunstmatig kraakbeen of kunstmatige wervelschijven. Maar er is nog een obstakel. Want wil een gel werken in het lichaam dan moet het spul kunnen uitrekken en uitzetten onder druk zonder te breken. Dat is nu nog niet het geval: de huidige hydrogels zijn mechanisch zwak en breken snel.

Een Amerikaans onderzoeksteam van onder andere deHarvard Universiteit heeft nu een zeer sterke hydrogel weten te maken. De nieuwe hydrogel is een mix van twee zwakke gels die als combinatie erg sterk uitpakt. Het materiaal met zijn wonderlijke eigenschappen plus de manier waarop het gemaakt kan worden staan deze week beschreven in het tijdschrift Nature.

Twee is beter dan één

De nieuwe gel is een samenstelling van twee polymeren: polyacrylamide en alginaat. Polyacrylamide wordt veel gebruikt in zachte contactlenzen. Daarnaast dient het ook als gel voor elektroforese: een techniek waarbij stukjes DNA op grootte gescheiden worden in het lab. Het tweede polymeer, alginaat, is afkomstig uit zeewier en wordt wel gebruikt als verdikkingsmiddel in voedsel. Los van elkaar zijn beide gels zo slap als een drilpudding. Een alginaatgel kan bijvoorbeeld bij uitrekking slechts 1.2 keer zo lang worden als de oorspronkelijke lengte voordat het breekt.

Het onderzoeksteam goot de twee polymeren bij elkaar, in een verhouding van acht delen polyacrylamide op één deel alginaat. De twee polymeren vlochten zich samen tot een netwerk waarin de polymeren onderling aan elkaar bonden en elkaar op die manier versterkten. Het spul bleek uit te rekken tot wel 21 keer de oorspronkelijke lengte.

Ritsen

Het alginaat in de gel bestaat uit lange ketens die zwakke, breekbare verbinden met elkaar aangaan, daarbij calciumionen vangend die in het toegevoegde water zitten. De calciumionen raken opgesloten in de structuur, net zoals een vis verstrikt raakt in een net.

Wat gebeurt er nu als de gel wordt uitgerekt? Sommige verbindingen tussen de alginaatketens breken waardoor de ketens net als een rits uit elkaar gaan. Daarbij laten ze de opgesloten calciumionen vrij. Ondertussen vormen de ketens waaruit acrylamide bestaat een sterke, roosterachtige structuur die weer heel sterk bindt met de losse alginaatketens.

Door deze chemische structuur kan de gel zelfs een scheurtje oplopen en toch verder uitgerekt worden zonder te breken. Het sterke rooster van acrylamide helpt namelijk om de trekkracht over een groot gebied te verspreiden. Daardoor worden hier en daar de zwak met elkaar verbonden alginaatketens uit elkaar geritst zodat de acrylamideketens deze kunnen grijpen en vasthouden.

Even rusten

Het mooie is dat je de hydrogel steeds opnieuw kan blijven uitrekken zonder dat dat ten koste gaat van de elasticiteit en de sterkheid. Maar wel onder de voorwaarde dat de gel even kan ‘rusten’ tussen twee rekkingen door. In die rustperiode is er tijd voor de alginaatketens om, met behulp van de calciumionen, weer bij elkaar te komen. Dan gaat de rits weer dicht, klaar om opnieuw geopend te worden. Dat de gel na uitrekking zijn oude vorm weer terugkrijgt zie je goed in onderstaand filmpje.

In Nature gaf materiaaldeskundige Kenneth Shull van de Northwestern Universiteit in een begeleidend artikel commentaar op het onderzoek. Lovend was hij. Net als het onderzoeksteam ziet hij een toepassing voor de ijzersterke gel als kunstmatig kraakbeen. Daarnaast denkt hij dat de resultaten andere onderzoekers, die geïnteresseed zijn in de mechanische eigenschappen van zachte materialen, zal motiveren het onderzoek voort te zetten.

Bron:

  • Jeong-Yun Sun e. a. Highly stretchable and tough hydrogels. Nature. 6 september, 2012 (online).
  • Kenneth R. Shull. Materials Science: A hard concept in soft matter. Nature News&Views. 6 september, 2012 (online).

Dit nieuwsbericht verscheen 6 september 2012 op Kennislink

2 reacties

  1. Z. Raggers
    19 september 2012

    Waar kan ik mij melden? Lijkt me voor mij prima oplossing!

    Reply
    • Mariska van Sprundel
      20 september 2012

      Dat zal in Amerika zijn! Al zal het nog wel jaren duren voordat de gel werkelijk in mensen geprobeerd zal gaan worden.

      Reply

Reageer