Tek ışık pırıltısıyla haftalarca şekil değiştiren “canlı” hidrogel üretildi.

Çinli araştırmacılar, tek seferlik yakın-kızılötesi ışıma ile kimyasal tepkimeleri başlatan ve bu reaksiyonların yeni biçimlenen hidrogelin içinde dört aya kadar sürmesini sağlayan bir malzeme geliştirdi. Çin Bilimler Akademisi’nin Shenzhen İleri Teknoloji Enstitüsü’nden Du Xuemin’in liderliğini yaptığı ekip, yaralanma iyileşmesi ve embriyo gelişimi gibi yavaş biyolojik dönüşümleri taklit etmek amacıyla bu sistemi STERS adını verdiği bir teknolojiyle hayata geçirdi. Sistem, gallium esaslı sıvı metal parçacıklarını vinil monomerlerle birleştirerek jelin kademeli olarak yeniden şekillenmesini sürdürüyor ve uyumlu doku iskeleleri, beyin-makine arayüzleri ile yumuşak robotik alanlarında yeni bir platform sunma potansiyeli taşıyor.

Yavaş biyolojik değişimlerden ilham alınması

Bilimsel çalışmada araştırmacıların dikkatini çeken temel konu, doğal dünyadaki yavaş ama uzun süreli dönüşümler oldu. Du Xuemin, zeki malzemeler üzerine yaptığı çalışmalarında iğn otu (mimosa) ve renk değiştiren bir sürüngeni, yani ateş böceği değil chameleonu örnek aldığını belirtti. Şekil değiştirken malzemelerin son yıllarda hızla ilerlediğini, bazı dönüşümlerin artık milisaniyeler içinde gerçekleştiğini aktaran Du, yavaş biyolojik süreçlerin ise farklı bir meyve sunduğunu vurguladı.

“Organizmalar hızlı şekil değişimlerine uğradığı gibi, aynı zamanda uzun süreli evrimsel dönüşümlere de uğrar,” dedi ve iyileşme ile embriyo gelişimine işaret etti. “Bu yüzden doğadaki bu yavaş morfolojik dönüşüm süreçlerini taklit ederek yavaş biçimlenen malzemeler inşa edebileceğimiz düşünüyoruz.”

Du Xuemin, Çin Bilimler Akademisi Shenzhen İleri Teknoloji Enstitüsü Profesörü ve çalışmanın yazarlarından

Doku mühendisliğinde kullanılan iskeleler, iyileşmeyi desteklemek için genellikle aktif maddeleri taşır. Du, mevcut malzemelerin ya çok hızlı değiştiğini ya da biçim değiştiremediğini kaydetti. Bu boşluğu doldurmak amacıyla araştırmacılar, doğal dünyadaki yavaş dönüşüm mekanizmalarını modelleyen bir yaklaşım geliştirdi.

Sıvı metal tepkimeleri sürdürür

STERS’in açılımı “Zamansal ve Uzamsal Olarak Gelişen Reaktif Türler” anlamına gelir. Sistem, gallium esaslı sıvı metal parçacıklarını vinil monomerlerle birleştirir; bu monomerler reaktif türlerin üretimini ve hidrogelin polimerleşmesini ilerletir. Yakın-kızılötesi ışık süreci aktive ederken, sıvı metal yüzey oksidasyonu ve oksit tabakasının tekrar kaldırılmasıyla döngüsel olarak reaktivite üretmeyi sürdürür.

Oksit tabakasının uzaklaştırılması metali yeniden ortaya çıkarır ve tepkimenin devam etmesini sağlar. Bu mekanizma, hidrogelin yapısının zamanla evrilmesi için gerekli kimyasal aktiviteyi sunar. Araştırmacıların makalesinde bu yaklaşım hakkında şu değerlendirme yer aldı: “Bu yenilikçi yaklaşımla, mikroskobikten makrokopik ölçeklere, dakikadan aylara ve tek tekden çoklu dönüşüm döngülerine kadar uzanan programlanabilir, canlı morfolojik evrim hidogellerde mümkün kılınmış oluyor.”

Araştırmacılar ayrıca bir ay içinde kademeli olarak rengi değişen bir hidrogel de üretti ve bu özelliği uzun süreli görsel gösterge olarak kullanılabileceğini ortaya koydu.

Doku testleri ve önündeki engeller

Ekip, geliştirdiği hidogelleri kök hücrelerin kemik ve sinir benzeri hücrelere farklılaşmasını yönlendirmek için kullandı. Beyin-makine arayüzü elektrodu üzerinde de malzeme değişikliği yapan araştırmacılar, sıçan embriyosunun gelişimi sırasında elektrik sinyallerinin nasıl evrildiğini izledi.

“Beyin-makine arayüzü için kullandığımız elektrodun yüzeyini bu malzemeyle modifiye ederek sıçan embriyosunun gelişimi sırasında elektrik sinyallerinin evrimini izledik,” dedi Du. Malzemenin dönüşüm hızı ve büyüklüğünün, gelişen beyin dokusundaki değişimlerle uyumlu hale getirilebileceğini belirten araştırmacılar, sıvı metalin doku üzerinde zarar verebilmesi nedeniyle biyolojik güvenliğin hâlâ bir endişe olduğunu vurguladı.

Du Xuemin

Bunun üzerine ekip, malzemenin çevreli dokuya sızmasını önlemek için onu sandviç yapıyla muhafaza etti. Klinik uygulamalar hâlâ birkaç engelyle karşılaşıyor: dönüşümlerin belirli doku türleriyle uyumlandırılması, daha yavaş şekil değişiminin sağlanması ve sürecinin dış uyarılar aracılığıyla talep üzerine kontrol edilmesi gerekiyor.

Şu aşamada Du, sistemin dokuların mühendisliği ve beyin-makine arayüzlerinde algılama ile laboratuvar gösterileri için uygun olduğunu belirtti. Çin Bilimler Akademisi’nin Shenzhen İleri Teknoloji Enstitüsü’nden yürütülen çalışma, Matter adlı bilim dergisinde yayımlandı.