Çinli araştırmacılar, yeni nesil gelişmelere platform olabileceğini söyledikleri, "canlı görünümlü" ve şekil değiştiren bir hidrojel geliştirdi. Malzemenin esnek doku mühendisliği iskeleleri, beyin-bilgisayar arayüzleri ve insansı robotlar gibi alanlarda kullanılabileceği belirtiliyor.
Canlı organizmalardan ilham alan ekip, STERS adını verdikleri ışıkla harekete geçen bir sistem oluşturdu. Sistem, sıvı metal parçacıklarını kullanarak yavaş ve kendini sürdürebilen kimyasal tepkimeler üretiyor; bu tepkimeler de hidrojelin zaman içinde yapısını değiştirmesini sağlıyor.
Canlı dokularla birlikte büyüyüp değişebilen bu uyumlu sistemin, yeni nesil biyomedikal malzeme ve cihazlara ilham verebileceği kaydediliyor. Araştırmacılar, sistemin rejeneratif tıp ve yumuşak robotik gibi alanlarda da geniş etkileri olabileceğini ifade etti.
Ekip, hakemli dergi Matter'ta 4 Eylül'de yayımlanan makalede, "Bu yeni yaklaşım, hidrojellerde mikroskobikten makroskobik ölçeklere, dakikalardan haftalara ve tekten çok sayıdaki dönüşüm döngüsüne uzanan, programlanabilir ve canlı görünümlü morfolojik evrimi mümkün kılıyor" dedi.
Canlı organizmalar uyum sağlamak, büyümek ve evrimleşmek için renk değişimi ve yönlü büyüme gibi fiziksel yapısal değişikliklere dayanıyor. Bilim insanları da bu dinamiklerden esinlenen akıllı sentetik malzeme ve cihazlar geliştiriyor.
Çalışmanın yazarlarından ve Çin Bilimler Akademisi'ne bağlı Şenzhen İleri Teknoloji Enstitüleri'nde profesör olan Du Xuemin, akıllı malzemeler üzerine uzun süredir araştırma yürüttüğünü ve daha önce dokunulduğunda yaprakları içe katlanan duyarlı bitkiler ile bukalemun gibi türlerden ilham aldığını söyledi.
Du, verdiği röportajda akıllı malzeme alanının hızla ilerlediğini, şekil yeniden yapılandırmasının yavaş hızlardan milisaniye mertebesine kadar hızlandığını belirtti.
Geliştirilen malzemeler arasında, sıcaklık değişimi gibi dış uyaranlar tetiklendiğinde belirli şekiller arasında gidip gelen şekil hafızalı alaşımlar da yer alıyor.
Du, "Ancak bu alanda kapsamlı araştırmalar yaptıktan sonra canlı organizmaların perspektifine geri döndüm" diye konuştu.
"Organizmaların hızlı şekil değişikliklerinin yanı sıra yavaş ve uzun soluklu evrimsel dönüşümler de geçirdiğini fark ettim" diyen Du, yara onarımı ve embriyonik gelişimi örnek gösterdi.
Doku mühendisliğinde genellikle iyileşmeyi hızlandırmak için aktif maddelerle yüklü iskeleler kullanılıyor. Du, mevcut malzemelerin ya çok hızlı dönüştüğünü ya da şekil değiştirme yeteneğinden yoksun olduğunu kaydetti.
Du, "Bu yüzden doğadaki bu daha yavaş morfolojik dönüşüm süreçlerini taklit edip yavaş şekil değiştiren malzemeler oluşturabilir miyiz diye merak ettim" ifadesini kullandı.
Bunu başarmak için ekip, hücrelerde morfolojik değişiklikleri tetiklemek üzere salınan aktif kimyasal türlerden ilham alan, sıvı metal temelli bir sistem geliştirdi.
"Uzay-zamanda evrimleşen tepkisel türler" anlamına gelen STERS sistemi, tepkisel türler üreten galyum bazlı sıvı parçacıklarını, bu üretimi ve hidrojelin polimerleşmesini destekleyen vinil monomerlerle birleştiriyor; böylece jelin şekil değiştirmesini sağlayacak yapı taşları oluşuyor.
Sistem yakın kızılötesi ışıkla harekete geçiyor ve tek bir ışınım, STERS sistemini dört haftaya kadar ayakta tutabiliyor.
Araştırmacılar, bunun nedenini şöyle açıkladı: Sıvı metaller, çevresel etkenlere maruz kaldıklarında yüzey oksidasyonu döngüleri yoluyla tepkisel türler üretiyor; ardından oksit tabakası uzaklaştırılarak metal yeniden açığa çıkıyor ve tepkime tekrarlanabiliyor.
Sistemi sınamak için ekip, hidrojelleri kök hücrelerin kemik ve sinir benzeri hücrelere farklılaşmasını yönlendirmek için kullandı.
Du, "Buna ek olarak, bir beyin-makine arayüzü elektrodunun yüzeyini bu malzemeyle kaplayarak rat embriyosu gelişimi sırasında elektrik sinyallerinin nasıl evrildiğini izledik" dedi.
Du, "Bu yöntem, beyin dalgalarındaki değişikliklerin hassas biçimde tespit edilmesini sağlıyor; embriyonik gelişim sırasında beyin aktivitesini incelemek ve beyin bilimini ilerletmek için yeni bir teknik sunuyor" diye ekledi.
Malzemenin dönüşüm hızı ve büyüklüğü, embriyonik beyin değişikliklerine uyacak şekilde ayarlanabiliyor; zira gelişim kalıpları mevcut literatürde zaten iyi biçimde biliniyor.
Du, dokulara karşı biyolojik güvenlik riskleri oluşturabilen sıvı metallerin kullanımının bir başka güvenlik başlığı olduğunu söyledi.
Bunu önlemek için ekibin malzemeleri sandviç yapısıyla paketlediğini anlatan Du, böylece malzemenin güvenli ve etkili biçimde kapsüllendiğini ve çevre dokulara sızıntının önlendiğini belirtti.
Du, STERS sisteminin robotik gibi alanlarda fırsatlar sunduğuna inandığını kaydetti. Robotların daha insansı hale gelmesi için algılama yetenekleri, derileri ve diğer fiziksel özelliklerinin de insanlarla uyumlu olması gerektiğini vurguladı.
Sistem, algılama uygulamaları için de umut vadediyor. Ekip, bir ay boyunca yavaşça renk değiştiren ve uzun süreli görsel gösterge olarak işlev gören bir hidrojel oluşturdu.
Ancak Du, uzun süreli klinik uygulamalar için henüz aşılması gereken birkaç engel bulunduğunu belirtti. Bunlar arasında malzemenin dönüşüm zaman çizelgesini belirli dokularla tam olarak eşleştirmek, daha da yavaş şekil değiştirmeyi araştırmak ve dış uyaranlarla dönüşüm sürecinin isteğe bağlı kontrolünü sağlamak yer alıyor.
Du, şimdilik sistemin bir sensör olarak ya da doku mühendisliği ve beyin-makine arayüzlerinde laboratuvar gösterimlerinde kullanılabileceğini sözlerine ekledi.
