Výzkumníci na univerzitách ve Stuttgartu a Tübingenu vyvíjejí autonomně přizpůsobitelné polymery schopné adaptovat se na pohyby a měnící se podmínky prostředí.
Nositelné zdravotní pomůcky, jako jsou měkké exoskelety, které poskytují oporu pacientům po mozkové příhodě, nebo náplasti pro podávání léků s řízeným uvolňováním, musí být vyrobeny z materiálů, které se mohou inteligentně a autonomně přizpůsobit pohybům nositele a měnícím se podmínkám prostředí. Jde přesně o typ autonomně přizpůsobivých polymerních materiálů, které nedávno vyvinuli vědci na univerzitě ve Stuttgartu a farmaceuti na univerzitě v Tübingenu, jejichž výsledky výzkumu byly představeny v předním odborném časopise Advanced Materials Technologies.
Spolupracující skupiny, v jejichž čele stojí profesorka Sabine Ludwigsová (Institut polymerní chemie) a profesor Holger Steeb (Institut mechaniky, MIB) na univerzitě ve Stuttgartu a profesorka Dominique Lunterová (Ústav farmaceutické technologie na univerzitě v Tübingenu), zveřejnily studii s názvem „Autonomní adaptace inteligentních hydrodynamických náplastí naprogramovaných na vlhkost“, v níž demonstrují, jak lze vyrábět inteligentní polymerní materiály, přičemž slovo „inteligentní“ poukazuje na skutečnost, že vlastnosti materiálu se mohou autonomně přizpůsobit podmínkám prostředí, v němž jsou použity. Tuhost dotyčných materiálů se může měnit o více než čtyři řády v závislosti na vlhkosti a teplotě a může procházet elastickými změnami i při vystavení velkým deformacím, což umožňuje, aby se mechanické vlastnosti přizpůsobily potřebnému použití.
Jedna z autorek článku Sabine Ludwigsová tyto materiály označuje jako „inteligentní gumové materiály“ a vysvětluje: „Díky této vysoké míře přizpůsobivosti jsou naše polymery ideální pro roboty vyrobené z měkkých organických materiálů, jako jsou ty, které se používají v biomedicíně nebo při pátracích a záchranných misích – klíčovým slovem je zde měkká robotika. Tyto polymery jsou také velmi vhodné pro použití v chytrých kožních aplikacích, jako jsou exoskelety vyrobené z měkkých pružných látek.“ Pro obě aplikace musí materiál umožňovat rychlé i pomalé pohyby, což znamená, že musí mít nastavitelné viskoelastické vlastnosti. „Přesně toho je materiál, který jsme vyvinuli, schopen,“ říká Holger Steeb.
Velmi vysoký stupeň přizpůsobivosti
Kromě toho je materiál díky své hydroadaptabilitě a vratné schopnosti vstřebávat vodu vhodný pro použití jako náplast pro řízené uvolňování léků přes kůži. Výzkumníci konkrétně provedli experimenty s uvolňováním léku proti bolesti Diklofenaku na modelu kůže. „Klíčovým mechanismem je, že je to náplast sama, která řídí uvolňování účinné látky v reakci na proměnlivou hladinu vlhkosti poranění, tedy v závislosti na tekutinách, které prosakují z rány,“ říká Dominique Lunter, farmaceutický odborník se sídlem v německém Tübingenu.
Příslušný výzkum byl proveden v rámci nedávno založené mezifakultní Laboratoře funkčních měkkých materiálů (FSM Lab) na Univerzitě ve Stuttgartu v rámci „Data-integrated Simulation Science Cluster of Excellence“ (EXC 2075, SimTech). Je to výsledek velmi úspěšné spolupráce dvou výzkumných skupin v čele se Sabine Ludwigsovou, která se specializuje na polymerní chemii, a Holgerem Steebem, jehož práce je zaměřena na mechaniku a funkci chytrých polymerních materiálů.
Vize: materiály, které reagují na aktivní podněty
Výzkumníci z Univerzity ve Stuttgartu se chystají dále prozkoumat multifunkční materiálové systémy, které jsou schopny autonomně se přizpůsobit svému prostředí a reagovat na aktivní stimuly, jako jsou elektrické podněty. Plánují také využít simulace jako základ pro modelování a předpovídání složitých architektur. Výsledky výzkumu polymerních materiálů jsou také přínosem pro studie, jež provádí univerzitní klastr excelence „Data-Integrated Simulation Science” (SimTech).
Projekt získal finanční prostředky od SimTechu i Německé výzkumné nadace (DFG) v rámci prioritního programu „Soft Material Robotics“ (SPP2100).
Původní publikace výzkumné zprávy je k dispozici online:
S. Pflumm, Y. Wiedemann, D. Fauser, J. Safaraliyev, D. Lunter, H. Steeb, S. Ludwigs: Autonomous Adaption of Intelligent Humidity-Programmed Hydrogel Patches for Tunable Stiffness and Drug Release, Advanced Materials Technologies, Juli 2023, DOI 10.1002
Zdroj: University of Stuttgart
Foto: University of Stuttgart, FSM-Labor, F. Sterl
