ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ В ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ ГЕЛЯХ – НА ПУТИ К СОЗДАНИЮ ИСКУССТВЕННЫХ МЫШЦ

Литвинова Е.А.¹, Толстовская Е.А.², Сафронов А.П.³, Шкляр Т.Ф.⁴

^{1, 2} Студент; ³ профессор, доктор физико-математических наук, Уральский федеральный университет; ⁴  доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, Уральская государственная медицинская академия

Работа выполнена при  поддержке грантом РФФИ  13-08-01050

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ В ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ ГЕЛЯХ – НА ПУТИ К СОЗДАНИЮ ИСКУССТВЕННЫХ МЫШЦ

Аннотация

Статья посвящена изучению поведения полиэлектролитных акриловых гелей в электрическом поле. Показано, что гели в ответ на электрический стимул способны преобразовывать его в механический отклик (совершать механическую работу), менять конфигурацию, сжиматься, аналогично тому, что происходит при сокращении мышцы.  Поэтому такие материалы являются перспективными в области создания искусственных мышц.

Ключевые слова: полиэлектролитные гидрогели, биоинженерия

Litvinova E.A.¹, Tolstovskaya E.A.², Safronov A.P. ³, Shklyar T.F. ⁴

^{1, 2} Student; ³ Professor, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor, Ural Federal University,  ⁴Doctor of Biological Sciences, leading researcher, Ural State Medical Academy

STUDY OF THE MECHANISM ELECTROMECHANICAL CONVERSION IN A POLYELECTROLYTE GELS - TOWARDS THE CREATION OF ARTIFICIAL MUSCLES

Abstract

The article is devoted to the study of the behavior of polyelectrolyte gels acrylic in an electric field. It is shown that the gels in response to electrical stimulus can convert it into a mechanical response (to perform mechanical work), to change the configuration to contract, similarly to what occurs when the muscle contraction. Therefore, these materials are promising in the field of artificial muscle.

Keywords: polyelectrolyte hydrogels, bioengineering

Разработка новых материалов для биоинженерии – актуальная современная задача. Особое внимание привлекают, полиэлектролитные гидрогели (ПЭГГ), способные обратимо реагируют на незначительные изменения свойств среды и различного  рода воздействия: рН, температура, свет, физические поля, например, магнитные и электрические. Воздействие электрических полей вызывают особый интерес, поскольку регуляторные механизмы многих физиологических процессов имеют электрическую природу, как, например, мышечное сокращение. Уже известно, что ПЭГГ в электрическом поле способны сжиматься, менять конфигурацию и развивать напряжение, аналогично тому, что происходит при сокращении мышцы. Поэтому такие материалы могут быть перспективны в области создания искусственных мышц.

ПЭГГ представляют собой сеть гидрофильных полимеров, способную поглощать воду и/или биологические жидкости. Их пространственная структура является результатом поперечной сшивки полимеров, формирующих в результате нерастворимую структуру в окружающем растворе. ПЭГГ, синтезированные на основе акриловой кислоты, представляют определенный интерес, прежде всего, как биосовместимые материалы. Кроме того, они имеют некоторые характеристики, схожие с биологическими тканями, что дает возможность их широкого биомедицинского применения.  

В многочисленных экспериментах показано, что ПЭГГ акриловой кислоты и ее производных в постоянном (DC) электрическом поле сжимаются и, в некоторых случаях, способны совершать колебательные движения. Несмотря на установленный многими авторами феномен до сих пор не ясен механизм данного явления. Настоящая работа посвящена изучению механизмов,  лежащих в основе поведения геля в DC поле.

Методика эксперимента

В качестве объектов исследования использовали образцы геля полиметакриловой кислоты, ПМАК, синтезированные радикальной полимеризацией в водном растворе в присутствии сшивающего агента – метилендиакриламида в соотношении 1/200 к мономеру [1]. Исследуемые образцы (n=6) прямоугольного сечения с размерами порядка 10*2*1 мм закрепляли по центру тефлоновой камеры диаметром 30 мм с водным раствором NаCl (концентрации 10мг/100мл). Далее прикладывалось электрическом поле с постоянным напряжением U=31.8В и силой тока I=0,02А в течение 20 минут. Образцы геля располагалась перпендикулярно силовым линиям поля, причем один конец был неподвижно зафиксирован, а второй оставался свободным. С помощью видеокамеры регистрировали механическое поведение геля, по видеоизображениям с помощью специальных программ рассчитывали отклонение конца образца от начальной точки и видимую площадь образца, как описано ранее [2].

Результаты

Показано, что образцы ПЭГГ после наложения ДС поля проявляли сложное колебательное движение, отклоняясь вначале к катоду, затем к аноду. Первое колебание к катоду было менее выраженным и непродолжительным, второе к аноду приводило к значительному изгибу образца.   При этом одновременно наблюдали изменение площади образцов геля. Вначале площадь увеличивалась, что свидетельствует о протекании процесса набухания геля. Через некоторое время гель сжимался. Степень набухания и сжатия оценивали по изменению видимой площади образца геля. На рис 1. графически представлены экспериментальные результаты. По оси ординат относительная площадь образцов, где за единицу принята площадь геля до наложения электрического поля. Столбик 1 – максимальная относительная площадь после набухания, которая увеличивалась в 1,77±0,56 раз. Столбик 2 – минимальная относительная площадь после сжатия составляла 0,86±0,08 от начальной площади.  Кривая на рис. 1 отражает трассу движения свободного конца геля к одному из полюсов ДС поля: к катоду (К) или аноду (А).               Видно, что изгибание геля к катоду ассоциируется с его набуханием, а движение к аноду – со сжатием геля.

Рис. 1 - Сопоставление процессов сжатия – набухания и отклонения к полюсам ДС поля

Следовательно, колебания возникают как реакция системы на изменение ее степени набухания. Причем, процесс имеет анизотропный характер, что и обуславливает периодическое изгибание образцов геля. Таким образом, ПЭГГ в электрическом поле способны выполнять механическую работу, то есть являются синтетическими  электромеханическими преобразователями. В основе феномена лежит способность ПЭГГ быстро и обратимо изменять свою степень набухания.