Что такое гидрогели?
Гидрогели — это проницаемые мягкие материалы, состоящие из полимерных сетей и воды. Они находят применение в различных областях, от биомедицинской инженерии до контактных линз. Одной из ключевых особенностей гидрогелей является возможность придания им разнообразных характеристик путём модификации полимерных сетей.
Исследования профессора Гонга
Лаборатория профессора Гонга в WPI-ICReDD при университете Хоккайдо специализируется на технологии гидрогелей. Учёные разработали гидрогели с самоукрепляющимися, самовосстанавливающимися и подводными адгезивными свойствами.
Достижения в области адгезивных гидрогелей
Благодаря сочетанию интеллектуального анализа данных и машинного обучения, профессор Гонг, профессор Такигава, профессор Фан, аспирант Ляо и их коллеги недавно разработали самые прочные на сегодняшний день подводные адгезивные гидрогели. Их адгезивная прочность (Fₐ) превышает 1 МПа.
Свойства гидрогелей
Сила гелей была мгновенной и повторяемой. Они функциональны на различных поверхностях при разных уровнях солёности, от чистой воды до морской. Это исследование опубликовано в журнале Nature.
Для наглядности: если бы эти гидрогели были вырезаны до размера почтовой марки (2,5 x 2,5 см), они теоретически могли бы выдержать около 63 кг (например, взрослого человека). Исследователи продемонстрировали адгезивную прочность гидрогеля, нанеся его на резиновую уточку, закреплённую на прибрежном камне, где она выдержала повторяющиеся воздействия океанских приливов и волн.
Биологическое вдохновение
Эти гидрогели были разработаны с полимерными сетями, полученными из адгезивных белков, обнаруженных у архей, бактерий, эукариот и вирусов. Несмотря на разнообразие этих организмов, у этих белков есть общие последовательности, которые обеспечивают адгезию во влажных средах.
Для этого из базы данных Национального центра биотехнологической информации (NCBI) было извлечено около 25 000 наборов данных о адгезивных белках. Они проанализировали эти последовательности аминокислот, важные для подводной адгезии. Затем они воспроизвели эти последовательности в полимерных сетях и синтезировали 180 гидрогелей, каждый из которых содержал уникальные полимерные сети.
Данные, полученные в результате изучения этих гидрогелей, были проанализированы с помощью машинного обучения, которое дополнительно экстраполировало наиболее значимые последовательности полимеров.
Первоначальные 180 гелей, синтезированные на основе интеллектуального анализа данных, продемонстрировали адгезивные качества, превосходящие гели, ранее описанные в литературе. Однако гели, вдохновлённые машинным обучением, оказались ещё более выдающимися, превзойдя упомянутые выше желаемые качества.
Мгновенная и повторяемая адгезия — это высоко востребованные свойства для применения в биомедицинской инженерии и глубоководных исследованиях. Эти качества были подтверждены в эксперименте, в котором утечка воды из повреждённой трубы могла быть мгновенно и многократно перекрыта.
Предоставлено университетом Хоккайдо.