Учёные из WPI-ICReDD разработали новый тип мышечного гидрогеля — мягкого и проницаемого материала, который быстро становится прочнее при механическом воздействии и при этом остаётся стабильным. Гидрогели — это такие материалы, состоящие из полимерной сетки и воды, которые часто используют в биологии.
Ранее эта группа уже создавала гидрогели, которые сами укрепляются, когда их сжимают или растягивают. Это происходит так: при механическом воздействии полимерная сетка внутри гидрогеля разрушается, образуются особые частицы — радикалы, которые затем связываются с мономерами (маленькими молекулами) и формируют новые, более крепкие связи.
Недавно учёные выяснили, что если добавить в полимерную сетку специальные молекулы — механофоры с слабыми связями, то разрушение и последующее укрепление происходит быстрее. Но такие слабые связи плохо переносят тепло и свет, из-за чего гидрогель становится менее стабильным.
Чтобы решить эту проблему, команда разработала компьютерную программу, которая помогает находить механофоры с более прочными связями, но которые всё равно реагируют на механическое воздействие. Для этого они использовали методы, позволяющие автоматически изучать химические реакции и предсказывать, какую силу нужно приложить, чтобы разорвать полимерные цепи.
С помощью машинного обучения и этих методов учёные быстро отобрали подходящие механофоры. Они искали молекулы, в которых части цепи ограниченно вращаются — это создаёт «узлы», где цепь легче ломается под небольшим усилием, даже если связи прочные.
Затем они проверяли, сколько силы нужно, чтобы запустить образование радикалов в этих узлах, и изучали, насколько долго эти радикалы живут. Из выбранных механофоров синтезировали гидрогели и проверили их свойства.
Результаты показали, что новые гидрогели быстро становятся прочнее при механическом воздействии и при этом сохраняют стабильность даже после нагрева до 80°C или воздействия ультрафиолета в течение 10 часов. Это подтверждает, что «узловая» структура действительно важна для таких свойств.
Для сравнения сделали гидрогели из механофоров, отобранных как неподходящие — они не показали способности к самоупрочнению, что подтверждает эффективность компьютерного отбора.
В одном из экспериментов в гидрогели добавили ионы железа (Fe2+) и краситель — ксилоловый оранжевый. Когда полимерные цепи разрываются, образуются радикалы, которые окисляют Fe2+ до Fe3+. Fe3+ соединяется с красителем, и гидрогель меняет цвет на ярко-оранжевый.
Компьютерное моделирование показало, что заметное изменение цвета произошло только у гидрогеля с правильным механофором (DN-Cam), а другие гидрогели быстро теряли радикалы и не меняли цвет.
Таким образом, учёные доказали, что с помощью вычислительных методов можно быстро и эффективно создавать новые материалы с нужными свойствами, которые иначе было бы сложно разработать.
