Hydrożel to materiał składający się w sporej części z wody. Cząsteczki HO2 są uwięzione w gęstej sieci polimerów. Materiały te są zwykle przepuszczalne, ale poza tym mogą mieć różne właściwości – samoistnie się utwardzać, zwiększać objętość, wyłapywać inne cząsteczki albo idealnie przylegać do powierzchni, której dotkną. Hydrożele znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach, od inżynierii biomedycznej po soczewki kontaktowe. Nowy wynalazek z Uniwersytetu w Hokkaido może sprawdzić się także w zastosowaniach inżynieryjnych i medycznych.
Czytaj też: AI trzyma rękę na pulsie. Ostrzeże cię przed problemem ze zdrowiem, zanim poczujesz objawy
Japoński hydrożel to podwodny Super Glue
Uzyskanie natychmiastowej, silnej i konsekwentnej przyczepności pod wodą jest ogromnym wyzwaniem. Cząsteczki wody mają właściwości chemiczne, które skutecznie utrudniają działanie klejów albo degradują spoinę z czasem. jednak dzięki połączeniu eksploracji danych i uczenia maszynowego japońscy naukowcy opracowali najsilniejsze hydrożele klejące pod wodą, z wytrzymałością adhezyjną (Fa) przekraczającą 1 MPa. Wytrzymałość żeli była zarówno natychmiastowa, jak i powtarzalna, a ponadto działają one na różnych powierzchniach i przy zmiennym zasoleniu – od czystej wody po wodę morską. Badania te zostały opublikowane w prestiżowym magazynie Nature i wybrane na okładkę.
O jak silnym kleju mowa? Powiedzmy, że plaster hydrożelowy zostanie przycięty do rozmiarów znaczka pocztowego (2,5 × 2,5 cm). Taka powierzchnia może unieść około 63 kg. Naukowcy zademonstrowali siłę kleju hydrożelu, przytwierdzając nim gumową kaczuszkę do skalistego brzegu morskiego, gdzie wytrzymała ona wielokrotne przypływy i uderzenia fal słonej wody.
Sieć polimerowa tego superkleju powstała z białek adhezyjnych pochodzących z archeonów, bakterii, eukariontów i wirusów. Pomimo dużej różnorodności tych organizmów, białka te dzielą wspólne wzory sekwencji, które nadają im zdolność perfekcyjnego przylegania w środowisku wodnym. W tym celu model sztucznej inteligencji przeanalizował właściwości około 25 000 zestawów białek adhezyjnych z bazy National Center for Biotechnology Information (NCBI), by wybrać najlepsze.
Czytaj też: Sprawdzone sposoby na jetlag. Nowe badania mówią, że światło jest lepsze niż melatonina
Naukowcy odtworzyli sekwencje wybrane przez AI w sieciach polimerowych. W ten sposób powstała symulacja 180 hydrożeli, każdy z wyjątkową siecią polimerową, i poddali je kolejnej analizie. Model wybrał najważniejsze sekwencje polimerowe, odpowiedzialne za fantastyczne właściwości materiałów. Żele zaprojektowane z pomocą uczenia maszynowego okazały się jeszcze bardziej spektakularne w praktyce. Na przykład wyciek wody z uszkodzonej rury o szerokości 20 milimetrów mógł być natychmiast i wielokrotnie zatamowany przy użyciu hydrożelu.
Eksperymenty ujawniły jeszcze jedną niezwykłą cechę tego materiału. Hydrożel oznaczony jako R1-max został poddany rocznym testom obciążeniowym. Klej trzymał odważnik o masie 1 kg. W tym czasie materiał nie wykazał żadnych oznak degradacji.
Ponadto hydrożel jest biokompatybilny, co potwierdzono w testach na myszach. Oznacza to, że materiał będzie miał bardzo szerokie spektrum zastosowań – od łatania akwariów przez budowę konstrukcji podmorskich po implanty medyczne. Hydrożel może pomóc zarówno w budowie mostów i eksploracji głębin oceanicznych, jak i w leczeniu chorób stawów. Przede wszystkim jednak hydrożel z Japonii pokazuje, jak ważna jest analiza dużych zbiorów danych we współczesnej nauce.
Czytaj też: Włochy zatwierdziły budowę najdłuższego mostu podwieszanego świata. Połączy Sycylię z kontynentem
Pozostaje poczekać na wdrożenie komercyjne. Hydrożel ma genialne właściwości, ale trzeba jeszcze zadbać o upracowanie sposobu na tanią produkcję masową. Bez tego wynalazek będzie tylko ciekawym artykułem w periodyku naukowym.
Chiński sposów na problemy ze stawami
Warto tu wspomnieć także o innym wynalazku z tej rodziny, który powstał w Państwie Środka. Naukowcy stworzyli tam biomateriał wspomagający leczenie choroby zwyrodnieniowej stawów. Co ważne, można go po prostu wstrzyknąć do torebki stawowej pacjenta. Innowacja polega na połączeniu mikrosfer hydrożelowych (HMS) z przeciwciałami, co umożliwia precyzyjne dotarcie do uszkodzonych obszarów chrząstki.
Podczas testów na szczurach rozwiązanie wykazało niebagatelne korzyści. Hydrożel zmniejszył objawy schorzenia i ograniczył dalszą degenerację stawów. Kluczowy okazał się wpływ na tarcie w stawach, które spadło o ponad 30 proc. w porównaniu ze standardowymi roztworami soli fizjologicznej. To podejście wydaje się szczególnie obiecujące we wczesnych stadiach choroby. Zastrzyk z hydrożelem może uratować pacjentów przed kosztownymi zabiegami. Na dostępność terapii przyjdzie nam jeszcze poczekać – najpierw trzeba potwierdzić skuteczność u ludzi.