Adapte Olabilen Hidrojel Geliştirildi

Bulunduğu ortama dinamik şekilde tepki gösterebilen yeni bir çeşit iki-yönlü polimer madde kullanan Brown Üniversitesi araştırmacıları, “yumuşak robotik” ve biyomedikal alanları için bir seri modüler hidrojel malzeme geliştirdi.

[BAA – Kolektif Yaşamı Kurgulama/ Yavuz Köroğlu – Çeviri]

Hem kimyasal monomer moleküllerin hem biyolojik monomerlerin uzun zincir moleküller oluşturması sürecine polimerizasyon diyoruz. Bu sürecin ürünü polimer moleküller, günümüz teknolojisinin önemli bir bileşeni. Teflondan fiber kablolara, izolasyon malzemesinden tek kullanımlık plastik ürünlere kadar geniş bir yelpaze. Yeni çalışmalar ise mikro ölçeklerde ve adapte olabilen malzeme üretmeye yöneliyor.

Üç boyutlu bir yazıcıyla modellenen mikropolimer bileşenler belli kimyasallar karşısında bükülme, kıvrılma, ve bir araya toplanma davranışları göstermektedir. Polymer Chemistry isimli bir dergide Brown Üniversitesi araştırmacıları yumuşak bir kıskacın isteğe bağlı olarak ufak objeleri tutup kaldırabildiğini göstermişlerdir. Ayrıca araştırmacılar özelleştirilmiş mikroakışkan gereçler geliştirebilmek adına dikkatlice bir araya getirilip sıkıca mühürlenebilecek LEGO-vari inşa blokları dizayn etmişlerdir.

Mikroakışkan gereçler mikrolitre ve nanolitre hacimlerdeki akışkanların mikro ölçekteki kanallar içerisinde kontrol edilmesini ve hareket ettirilmesini sağlar. Bu özelleştirilmiş gereçler ilaç taraması, hücre kültürleri ve diğer uygulamalarda kullanılabilecek “çip-üstü-laboratuvar” sistemleridir.

Araştırmacıların açıklamasına göre geliştirilen bu yeni maddenin işlevlerinin anahtarı iki-yönlü polimer bileşeninde gizlidir.

Makalenin birinci yazarı olan ve doktoradan yakın zamanda mezun olmuş Thomas Valentin’in sözleriyle, “Özünde, polimerlerden biri yapısal bütünlüğü korurken diğeri de bükülme ve kendi kendine yapışma gibi dinamik davranışsal özellikler kazandırmakta. Böylece, bu iki maddeyi bir araya getirmek bileşenlerinin toplamından daha fazlasını ortaya çıkarmakta.”

BAĞLANMA  BİÇİMLERİ

Hidrojeller çapraz bağlama adı verilen, içindeki polimer dizilerinin birbirine bağlanması şeklinde açıklanan bir işlemle katılaşmaktadırlar. Çapraz bağlanmış polimerleri kovalent ve iyonik olmak üzere iki çeşit bağ bir arada tutmaktadır. Kovalent bağlar çok güçlü ama tersine çevirlemezdirler. İki dizi bir kere kovalent bağlarla bağlandı mı diziyi kırmak bu bağı kırmaktan daha kolaydır. Öte yandan iyonik bağlar bu kadar kuvvetli değildir; ama tersine çevirlebilirler. Net pozitif ya da negatif yükle yüklü atom ya da moleküllerden oluşan iyonların eklenmesi bağların oluşmasını sağlar. Bu iyonların çıkarılması ise bağın çökmesine neden olur.

Bu yeni madde için araştırmacılar kovalent çapraz bağlı PEGDA isimli ve iyonik çapraz bağlı PAA isimli polimerleri birleştirmişlerdir. PEGDA’nın güçlü kovalent bağları maddeyi bir arada tutarken PAA’nın iyonik bağları ise tepkisel özellik kazandırmaktadır. Maddeyi iyonca zengin bir ortama koymak PAA’nın çapraz bağlanmasını ve böylece büzülüp katılaşmasını sağlamaktadır. Bu iyonları ortamdan çektiğinizde, iyonik bağların kırılması sonucu madde yumuşayıp kabarır. Aynı işlem maddenin istendiği zaman kendiliğinden yapışan bir özellik kazanmasını da sağlamaktadır. İki ayrık parçayı bir araya getirip iyon eklediğinizde bu parçalar sıkıca bir araya gelmektedir.

Gücün ve dinamik davranışın bu bileşimi araştırmacıların yumuşak kıskacı üretmelerine olanak sağlamıştır. Kıskacın “parmaklarını” bir tarafta saf PEGDA ve diğer tarafta da PEGDA-PAA karışımı olacak şekilde modellemişlerdir. İyonların eklenmesi PEGDA-PAA tarafının küçülüp güçlenmesini sağlamakta, bu da iki kıskaç parmağını birbirine doğru çekmektedir. Araştırmacılar bu kıskacın yaklaşık bir gram ağırlığındaki ufak objeleri kaldırıp kütleçekimine karşı tutabilecek güçte olduğunu göstermiştir.

MİKROPOLİMER MALZEMENİN OLANAKLARI

Makalenin yazarlarından biri olan Yrd. Doç. Dr. Ian Y. Yong’un sözleriyle, “Değişik ortamlara otomatik olarak adapte olabilen ve şekillerini değiştirebilen maddeler üzerine büyük bir ilgi var. Bu yüzden burada da dışsal uyartılara tepki verip kendini esnetebilen ve yeniden şekillendirebilen bir madde sergiliyoruz.”

Araştırmacıların açıklamalarına göre bu maddenin daha yakın zamandaki uygulaması mikroakışkanlar alanında olabilir.

Hidrojeller özellikle biyomedikal testlerde kullanılan mikroakışkan aygıtlar için çok çekici bir maddedir. Bunlar yumuşak, insan dokusu gibi esnek ve genelde toksik olmayan maddelerdir. Buradaki problem mikroakışkanlarda ihtiyaç duyulan kompleks kanallar ve bölmelerle hidrojel modellemek sıklıkla zor bir hale gelmektedir.

Bu yeni madde ve olanak sağladığı LEGO blok konsepti potansiyel bir çözüm önermektedir. Üç boyutlu yazdırma işlemi kompleks mikroakışkan yapılarının her bloğa entegre edilmesine olanak sağlamaktadır. Bu bloklar daha sonradan gerçek LEGO blokları gibi yuvalar kullanılarak birleştirilebilir. İyon eklenmesi de blokların su sızdırmaz biçimde mühürlenmesini sağlamaktadır.

Valentin’in sözleriyle, “Bu modüler LEGO blokları mikroakışkan aygıtlar için prefabrik bir alet çantası hazırlayabilmemiz açısından ilginçtir. Elinizde önceden belirlenmiş farklı mikroakışkan yapılarda çeşitli parçalar bulundurun ve sonra da kendi özelleştirilmiş mikroakışkan devrenizi yapmak için ihtiyacınız olanları alın. Sadece parçaları bir araya getirdiğinizde aygıtınız hazır olmuş olacak.”

Ayrıca araştırmacıların dediğine göre bu blokları kullanımdan önce uzun süreler saklamak bir problem gibi gözükmemekte. Makalenin yazarlarından biri olan lisans mezunu Eric Dubois’in sözleriyle, “Bu çalışma için kullandığımız örneklerin bazıları üç ya da dört aylıktı. O yüzden bu maddelerin uzun süreler kullanılabilir kalabileceğini düşünüyoruz.”

Araştırmacılar polimerlerin özellikleriyle oynayarak daha fazla sağlamlık ve işlevsellik elde etme olasılıklarının olduğunu ve bu maddeyle çalışmaya devam edeceklerini söylemektedir.

Kaynaklar:

Brown University. Dynamic hydrogel used to make 'soft robot' components and LEGO-like building blocks. 21 Mart 2019.

Thomas M. Valentin, Eric M. DuBois, Catherine E. Machnicki, Dhananjay Bhaskar, Francis R Cui, Ian Y Wong. 3D Printed Self-Adhesive PEGDA-PAA Hydrogels as Modular Components for Soft Actuators and Microfluidics. Polymer Chemistry. 2019. DOI: 10.1039/C9PY00211A

https://physicsworld.com/a/microfluidic-chip-can-detect-hiv-and-mrsa/