Une nouvelle recette, ou des directives de conception, pour un hydrogel musculaire auto-renforcé, a été développée par l'intégration stratégique de la recherche, de l'information et de la recherche expérimentale. Le gel résultant présente un renforcement rapide sous contrainte mécanique avec une stabilité améliorée.
Les hydrogels sont un matériau souple perméable composé de réseaux de polymère et d'eau pertinents pour les applications de matériaux biologiques.
Le groupe du professeur Gong chez WPI-ICREDD a déjà développé des technologies d'hydrogel à double réseau musculaire qui subissent l'auto-renforcement activé par le stress mécanique.
Lors de la contrainte mécanique, le réseau de polymères fragiles se brise et génère des radicaux qui forment de nouveaux réseaux polymères plus forts en réagissant avec les monomères pré-dispersés dans le matériau.
Récemment, le groupe a découvert que l'incorporation de mécanophores contenant des liaisons faibles dans le réseau fragile améliore fortement l'efficacité de la rupture des liaisons et conduit ainsi à une auto-renforcement rapide. Cependant, ces liaisons faibles sont également sensibles aux réactions de chaleur et de lumière, qui sont préoccupantes pour la stabilité des matériaux.
Pour cela, une équipe de chercheurs de WPI-ICREDD a développé une conception informatique qui évalue rapidement les mécanophores qui contiennent des liaisons plus fortes mais créent des polymères sensibles à la force.
Le groupe de recherche du professeur Maeda a développé la méthode de réaction induite par la force artificielle (AFIR) qui explore automatiquement les voies de réaction. Le professeur agrégé Jiang a développé une méthode étendue-aafir (ex-afir) qui analyse les réactions induites par la force mécanique et prédit la force nécessaire pour briser les chaînes polymères.
En combinant la méthode ex-AFIR avec l'apprentissage automatique, développée par le professeur adjoint Staub et le professeur Varnek, ils ont rapidement examiné les candidats mécanophore et identifié des paramètres moléculaires clés. La recherche a été publiée dans Sciences chimiques.
Premièrement, les candidats moléculaires ont été prescrits pour une capacité de rotation limitée souhaitable (<90 °). Ils ont prédit qu'une rotation limitée au sein d'une chaîne polymère introduirait efficacement les "nœuds" où la chaîne peut se briser sous une force faible malgré des liaisons fortes.
Ex-Aafir a ensuite été utilisé pour dériver la force d'activation (Facte), la force nécessaire pour initier la génération radicale de ces candidats avec un nœud. Enfin, l'ex-AFIR a été combiné avec l'apprentissage automatique pour calculer les voies de désintégration des radicaux et identifier les mécanophores qui pourraient générer des radicaux à longue durée de vie.
Les gels ont été synthétisés à partir de mécanophores sélectionnés et étudiés pour confirmer le praticité de cette méthode de sélection de calcul.
Ces gels comportaient un renforcement rapide et les mécanophores sont restés inchangés après un chauffage à 80 ° C ou une exposition à la lumière UV pendant 10 heures, comme prévu, mettant en évidence la signification de la structure de type nœud. De plus, les gels synthétisés à partir de mécanophores qui ont été filtrés sur la base de simulations de calcul ont également été étudiés.
Comme prévu, ces gels n'ont pas réussi à démontrer les qualités d'auto-renforcement, validant davantage le praticité de cette approche de conception informatique. Ces résultats mettent en évidence les opportunités passionnantes d'intégrer les calculs de calcul pour faire progresser rapidement les technologies qui autrement seraient à en gamme.
La vidéo compare la génération radicale d'hydrogels suggérés (DN-CAM) et filtrés (DN-Cy et DN-PIN) par des simulations de calcul. Les gels pré-dispersés sont des ions ferreux (Fe2+) et le xylène orange.
Les radicaux générés à partir des réseaux de polymère cassés oxyderont les ions ferreux en ions ferriques (Fe2+ → Fe3+) qui est ensuite complexe avec du xylène orange pour produire une couleur orange distincte.
Comme les simulations de calcul le suggèrent, seul le gel DN-CAM a produit un changement de couleur notable, suggérant que les autres gels génèrent des radicaux instables qui se décomposent rapidement.
