Geïnspireerd op onze spieren ontwikkelden onderzoekers een methode om materiaal te maken dat door gebruik niet verslijt, maar juist sterker wordt.

De naam zegt het al; zelfhelende materialen kunnen zich herstellen. Een bijzonder handig mechanisme dat we de afgelopen jaren steeds vaker zien. Maar onderzoekers van de Hokkaido-universiteit wilden nog een stapje verder. Want waarom genoegen nemen met herstel, als je een materiaal door het gebruik ervan ook sterker kunt maken?

Hiervoor keken de onderzoekers naar de werking van onze spieren, die in tegenstelling tot niet-levend materiaal zoals metaal, plastic of textiel, door belasting juist sterker worden. Het resultaat, dat werd beschreven in vakblad Science, is een hydrogel die net als je spierballen baat zou hebben bij een flinke workout.

Lees ook: Synthetisch materiaal verdikt door oprekken

Afbraak en opbouw

Als je je in de sportschool in het zweet staat te werken, gebeurt er van alles in je lijf. In je skeletspieren – spieren die je actief aanstuurt om te bewegen, zoals je biceps – worden oude cellen afgebroken om plaats te maken voor sterkere varianten. Voor de aanleg van deze nieuwe spiercellen, ook wel spiervezels genaamd, zijn aminozuren nodig. Deze bouwsteentjes worden aangevoerd door het bloed dat door de spieren loopt.

Dankzij die afbraak van oude cellen, de continue toevoer van ‘bouwmateriaal’, en de uiteindelijke opbouw van sterkere, nieuwe cellen, werpen die bezoekjes aan de sportschool na verloop van tijd hun vruchten af: je wordt sterker.

Het verschil tussen normale materialen (paars), zelfhelende materialen (groen) en materialen die sterker worden na gebruik (mechanical stresses) zoals de hydrogel in deze studie (roze). © Matsuda et al., 2019/Science

Namaakspier

Geïnspireerd op dit mechanisme, maakten de onderzoekers een zogenoemde double-network hydrogel; een soepel maar stevig, superabsorberend materiaal dat voor 85 procent uit water bestaat. Het dubbele ‘netwerk’ slaat op de twee typen verbindingen waaruit het materiaal is opgebouwd; één rigide en broos, de ander zacht en rekbaar.

De onderzoekers plaatsten het materiaal  in een bad met monomeren; relatief simpele moleculen die als een soort bouwsteentjes samen een keten kunnen vormen. Als je de hydrogel als de spier ziet, is het bad het bloed dat erdoorheen loopt en de aminozuren – de monomeren – aanlevert.

Na oprekking (i en ii) wordt het materiaal sterker (necked region, iii). © Matsuda et al., 2019/Science

Krachttraining

De onderzoekers onderwierpen het materiaal aan oefeningen vergelijkbaar met het effect van krachttraining op je spieren. Deze rekbewegingen zouden ervoor zorgen dat sommige van de broze verbindingen in het materiaal breken. De nu kapotte uiteinden willen zo snel mogelijk opnieuw binden, en pikken daarvoor de monomeren uit de vloeistof. Zo wordt de keten sterker (zie afbeelding hierboven).

In het filmpje hieronder zie je hoe de onderzoekers te werk gingen:

Volgens de onderzoekers werd het materiaal na de ‘training’ anderhalf keer sterker, 23-maal steviger en nam het gewicht met 86 procent toe. In de toekomst moet het materiaal, dat door dit mechanisme niet alleen langer mee gaat maar ook sterker kan worden als het gebruik toeneemt, onder andere een plekje krijgen in de medische wereld.

Bronnen: Science, Hokkaido-universiteit, New Atlas

Beeld: Matsuda et al., 2019/Science; Hokkaido Uni/Youtube

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!