Kontaktní čočky zná snad každý. Pro korekci zraku je používá stále více lidí. Hydrogel podobný tomu, ze kterého se vyrábějí, je ale vhodný nejen na vkládání pod oční víčka.
Nedávno vědci z akademického Ústavu makromolekulární chemie, z oddělení Libora Matějky, vytvořili zvláštní skupinu hydrogelů, ze kterých je možné vytvořit „umělý sval“. Dokáže zvětšit svůj objem na dvojnásobek v rozmezí několika sekund, což je znatelný pokrok ve srovnání s podobnými materiály vyvinutými v zahraničí.
Vrtkavá dáma Náhoda vědcům ukáže cestu k novému objevu obvykle, jen když jsou na příchod vrtkavé dámy připraveni. Tato optimální situace nastala v týmu, kde pracuje Adam Strachota, v době, kdy zde zkoušeli zlepšit vlastnosti jednoho typu hydrogelu citlivého na podněty zvenčí. Konkrétně na změnu teploty, kyselost nebo zásaditost prostředí. Hydrogely podobného typu mohou být upraveny tak, aby reagovaly na určité metabolické látky v krvi. Takové materiály jsou zajímavé zejména pro medicínu. Používají se například jako nosiče léků k nemocné tkáni.
„Původní záměr zněl skromně, chtěli jsme zlepšit mechanické vlastnosti již z literatury známého hydrogelu, který poměrně rychle reagoval na teplotu. Zkoušeli jsme proto zabudovat nanočástice oxidu křemičitého do měkkých stěn tohoto pórovitého materiálu,“ vzpomíná na první experimenty před čtyřmi lety Adam Strachota. Pevnost se zvětšila, ale daleko zajímavější se ukázala schopnost materiálu rekordně rychle reagovat na teplotu. Zcela nečekaně tak vědci dospěli k jinému objevu.
Hydrogel vsakoval a zase vypouštěl kapalinu mnohem rychleji než všechny dosud v literatuře popsané materiály. Pro představu: při teplotě vody pod 25 stupňů Celsia si hydrogel zachovává svoji standardní konzistenci připomínající želé. Jakmile stoupne teplota kapaliny nad 35 stupňů, hmota během několika sekund dvojnásobně zmenší svůj objem, při ochlazení stejně rychle objem zvětší. Nejkratší čas se pohyboval na hranici šesti sekund. Úžasný výsledek ve srovnání s hydrogely vyvinutými v zahraničních laboratořích. Ty se zmenšovaly v průběhu minut a zvětšovaly desítky minut i déle.
Když Strachota s kolegy vložili vzorky nového materiálu pod elektronový mikroskop, spatřili příčinu rekordních časů. Nanočástice oxidu křemičitého se v podobě kuliček usadily ve stěnách miniaturních kanálků, kterými je zkoumaný hydrogel protkán. Díky tomu se trubičky během zmenšování hydrogelu nezbortily a neslepily a voda mohla proniknout do bludiště kanálků i uniknout ven mnohem rychleji.
Teoreticky lze čas ještě zkrátit, ale nyní se vědci soustředí na vylepšování materiálu. Jeden čtvereční centimetr „umělého svalu“ vyvine tlak 100 gramů. „Chtěli bychom tuto hodnotu zdvojnásobit,“ říká Strachota.
Dalším záměrem je vyztužovat stěny trubiček jiným plnivem než oxidem křemíku. Ten totiž voda při opakovaném vsakování a odtékání z trubiček sice pozvolna, ale přece jenom odplavuje. Zároveň ho poměrně agresivně leptá zásadité prostředí, kterým lze také ovlivňovat natahování a stahování „umělého svalu“.
„Zkoušíme vyztužovat stěny trubiček oxidem titaničitým, ten odolává nejen vodě, ale i kyselinám a louhům,“ říká Adam Strachota. Vědci mají ještě jednoho kandidáta na zpevňování trubiček – chtějí použít nanodestičky z určitého druhu jílu. „Je odolný a zároveň zkracuje čas, který potřebuje „umělý sval“ na stažení nebo natažení v odezvě na kyseliny nebo zásady,“ vysvětluje jeho výhody Strachota.
Čeští odborníci rovněž určili, v jakém okamžiku během syntézy hydrogelu je nejvýhodnější materiál zmrazovat, aby se v něm vytvořilo co nejvíce dlouhých ledových jehliček. Krystalky po dokončení polymerace roztají a vzniknou tisíce drobných trubiček navzájem propojených. Umělý sval je hotov.
Kulturista ve zkumavce Ovšem umělý sval vypěstovaný v laboratoři má velikost téměř zanedbatelnou. Jde o váleček s průměrem okolo jednoho centimetru, délka se pohybuje přibližně ve stejných rozměrech. Světoznámý český zápasník Gustav Frištenský by z takových svalů radost neměl.
„Teoreticky je možné průměr válečku zvětšit, ale to bychom museli vyřešit problém, jak v určitém momentu zchladit hmotu hydrogelu rovnoměrně. Když totiž ponoříme reakční směs v nádobce do chladicí lázně, tuhne hmota při stěnách nádoby rychleji. Ledové krystalky, které slouží jako forma pro trubičky, jsou potom uvnitř hydrogelu nerovnoměrně rozmístěné a nejméně jich je ve středu vzorku,“ vysvětluje Strachota překážky v přípravě svalu s větším průměrem. „Větší průměr by se spíše dosáhl postavením několika užších vzorků vedle sebe,“ dodává.
A proč není hydrogelový váleček delší? V tomto ohledu žádný limit neexistuje, ovšem k proměřování výkonnosti umělého svalu je vhodnější kratší špalíček. U delší varianty by museli vědci vytvořit nějakou podpůrnou konstrukci, asi jako když je v těle sval připevněn šlachami ke kostem a k hlavicím kloubů.
Ale pokud by se „umělý sval“ používal v praktickém životě, může mít délku i několika decimetrů. Adam Strachota se ovšem důrazně brání vizi, že by hydrogel nahradil skutečnou muskulaturu v lidském těle. Řídit natahování a smršťování hydrogelu chlazením a ohříváním vodou nebo poléváním střídavě kyselinou a louhem je v živém organismu nepředstavitelné.
Neživý sval se podle jeho názoru může uplatnit zejména v technických oborech. Mohl by například zapínat a vypínat přístroje v závislosti na teplotě a kyselosti či zásaditosti prostředí. Odpadlo by sledování teploty a vyslání elektrického signálu k ovládací páčce. Váleček z hydrogelu pracuje mnohem jednodušeji. Roztahuje a stahuje se automaticky i spolehlivě.
***
Bicepsy pro techniku
Ovládat různé vypínače a páčky přístrojů mohou umělé svaly z hydrogelu vytvořené týmem Adama Strachoty z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR.
Průřez jedním z tisíců kanálků, které tvoří hydrogel Do stěn vědci chemickým procesem vložili nanočástice oxidu křemíku, kanálky proto zůstávají otevřené i poté, co voda z hydrogelu odbobtnala, takže se do nich může zase rychleji vrátit a sval během několika sekund roztáhnout. Kanálek bez nanočástic (dole) se po odbobtnání vody zbortí a slepí, a tekutině proto trvá desítky minut až několik hodin, než opět do všech kanálků pronikne.
Sval z hydrogelu reaguje během několika sekund, což je světový unikát, říká vedoucí týmu Adam Strachota
Sval ve tvaru válečku o ploše jednoho čtevrečního centimetru vyvine tlak až 100 gramů
Umělý sval zvětšuje nebo zmenšuje svůj objem až dvojnásobně podle teploty vody, která na něj působí - vlevo je sval natažený, vpravo stažený
