Гидрогель помнит свою форму

Новый материал, созданный исследователями из Корнеллского университета, настолько мягкий, что может течь как жидкость, а затем, что удивительно, возвращаться к своей первоначальной форме.

Это гидрогель — сеть органических молекул с множеством мелких пустот, которые могут впитывать воду, как губка. Он квалифицируется как «метаматериал» со свойствами, не встречающимися в природе, и может быть первым органическим метаматериалом с механическими мета-свойствами.

Гидрогели уже рассматривались для использования в доставке лекарств — пустоты можно заполнить препаратами, которые высвобождаются по мере биодеградации геля. Возможность придавать гелю желаемую форму расширяет эти возможности. Например, гель, насыщенный лекарством, можно сформировать точно по пространству внутри раны.

Дан Ло, профессор биологической и экологической инженерии, и его коллеги описывают своё творение в выпуске журнала Nature Nanotechnology от 2 декабря.

Новый гидрогель сделан из синтетической ДНК. Помимо того, что ДНК является материалом генов, она может служить строительным блоком для самоорганизующихся материалов. Одноцепочечные ДНК связываются с другими одноцепочечными ДНК, имеющими комплементарное кодирование, как крошечные органические кубики Lego. Путём синтеза ДНК с тщательно расположенными комплементарными участками команда Ло ранее создавала короткие нити, соединяющиеся в формы, такие как кресты или Y-образные структуры, которые, в свою очередь, соединяются концами, образуя сетевидные структуры, создавая первый успешный полностью ДНК-гидрогель. Испробовав новый подход, они смешали синтетическую ДНК с ферментами, которые заставляют ДНК самовоспроизводиться и удлиняться в длинные цепи, чтобы получить гидрогель без сшивок ДНК.

«Во время этого процесса они запутываются, и это запутывание создаёт трёхмерную сеть», — объяснил Ло. Но результат оказался неожиданным: полученный гидрогель течёт как жидкость, но при помещении в воду возвращается к форме контейнера, в котором был сформирован.

«Это было не по плану», — сказал Ло.

Исследование под электронным микроскопом показывает, что материал состоит из массы крошечных сферических «птичьих гнёзд» из спутанной ДНК диаметром около 1 микрона (миллионной доли метра), которые дополнительно переплетены друг с другом более длинными цепями ДНК. Он ведёт себя как масса склеенных резиновых лент: у него есть присущая ему форма, но её можно растягивать и деформировать.

То, как именно это работает, «всё ещё исследуется», но учёные предполагают, что упругие силы, удерживающие форму, настолько слабы, что их преодолевает комбинация поверхностного натяжения и силы тяжести; гель просто провисает в бесформенную каплю. Но когда он погружён в воду, поверхностное натяжение почти равно нулю (вода есть и внутри, и снаружи), а плавучесть компенсирует гравитацию.

Чтобы продемонстрировать эффект, исследователи создали гидрогели в формах в виде букв D, N и A. Вылитые из форм, гели становились аморфными жидкостями, но в воде они возвращались к форме букв. В качестве возможного применения команда создала водно-активируемый переключатель. Они сделали короткий цилиндрический гель, насыщенный металлическими частицами, помещённый в изолированную трубку между двумя электрическими контактами. В жидкой форме гель достигает обоих концов трубки и замыкает цепь. При добавлении воды гель возвращается к своей более короткой форме, которая не достаёт до обоих концов. (Эксперимент проводится с дистиллированной водой, которая не проводит электричество.)

ДНК, использованная в этой работе, имеет случайную последовательность, и наблюдалось лишь случайное сшивание, сказал Ло. Путём проектирования ДНК для связывания определённым образом он надеется настроить свойства нового гидрогеля.