แปลและเรียบเรียง โดย มาริสา คุณธนวงศ์

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮอกไกโดค้นพบวิธีผลิตวัสดุให้มีความแข็งแรงมากขึ้นจากการใช้งาน

ความคิดนี้เลียนแบบกลไกของกล้ามเนื้อที่เจริญเติบโตและแข็งแรงขึ้นภายหลังออกกำลังกาย

ภาพ (i) ไฮโดรเจลร่างแหคู่ (double-network hydrogel) ภาพ (ii) หลังการยืดไฮโดรเจลในส่วนที่เปราะถูกทำลายและเกิดอนุมูลเชิงกล (mechanoradicals) ตรงบริเวณสีที่เปลี่ยนไป ภาพ (iii)

เมื่อกล้ามเนื้อได้รับการออกกำลังกาย หรือมีการใช้งานกล้ามเนื้อที่หนักขึ้น เส้นใยของกล้ามเนื้อจะโดนทำลาย ทำให้เกิดกลไกการกระตุ้นการก่อตัวใหม่ของเส้นใยกล้ามเนื้อ

กระบวนการนี้จำเป็นต้องอาศัยกรดอะมิโนที่เป็นหน่วยย่อย (building block) ของโปรตีนเข้าไปช่วยเชื่อมตรงส่วนของเส้นใยที่โดนทำลายไป ทำให้เกิดการสร้างเส้นใยกล้ามเนื้อเพิ่มขึ้น ส่งผลให้กล้ามเนื้อส่วนนั้นมีความแข็งแรงมากขึ้นนั่นเอง

จากกลไกดังกล่าว ทำให้ Jing Ping Gong ผู้เชี่ยวชาญด้านวิทยาศาสตร์พอลิเมอร์และทีม จากมหาวิทยาลัยฮอกไกโด ได้แรงบันดาลใจและนำไปใช้พัฒนาวัสดุให้มีความแข็งแรงขึ้น

งานวิจัยนี้ ทีมวิจัยออกแบบไฮโดรเจลให้มีลักษณะเป็นร่างแหคู่ (double-network hydrogel) ซึ่งมีส่วนประกอบเป็นน้ำประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ และมีส่วนที่เป็นร่างแหของพอลิเมอร์สองชนิด คือชนิดที่แข็งและเปราะ กับชนิดที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่น

ทีมนำไฮโดรเจลร่างแหคู่ที่เตรียมไว้ใส่ลงในสารละลายที่ประกอบไปด้วยโมเลกุลมอนอเมอร์ โดยทีมออกแบบให้สารละลายดังกล่าวทำหน้าที่เลียนแบบบทบาทของเลือดที่มีส่วนประกอบของกรดอะมิโนที่ไหลเวียนไปยังกล้ามเนื้อโครงร่าง

จากนั้น ทีมทดสอบใส่แรงดึงโดยการดึงยืดไฮโดรเจลร่างแหคู่เพื่อทำลายโครงสร้างของสายโซ่พอลิเมอร์ชนิดแข็งและเปราะ การทำเช่นนี้ช่วยกระตุ้นการเกิดอนุมูลเชิงกล (mechanoradicals) ที่ปลายสายโซ่พอลิเมอร์ส่วนที่โดนทำลาย

อนุมูลเหล่านี้เหนี่ยวนำให้มอนอเมอร์ในสารละลายมารวมกันเพื่อซึมเข้าสู่โครงร่างของไฮโดรเจล และช่วยเสริมสร้างไฮโดรเจลให้มีความแข็งแรงมากขึ้น

ภาพนี้ แสดงกระบวนการยืดไฮโดรเจลร่างแหคู่เพื่อเสริมสร้างความแข็งแรงของวัสดุ ภาพขวา (Lifting 3 ภาพ) เปรียบเทียบให้เห็นถึงความแข็งแรงของวัสดุที่เพิ่มขึ้นจากการทำสอบการยกตุ้มเหล็ก

ซึ่งหากยืดไฮโดรเจลไปอย่างต่อเนื่อง ก็จะเกิดกระบวนการทำลายโครงสร้างเก่าและกระบวนการเสริมสร้างโครงสร้างใหม่ ช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับไฮโดรเจลได้มากยิ่งขึ้น คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับกล้ามเนื้อโครงร่างในระหว่างการฝึกความแข็งแรงนั่นเอง

จากการทดลองของทีม พบว่าไฮโดรเจลที่ผ่านกระบวนการนี้มีความแข็งแรงและความแข็งเพิ่มขึ้น 1.5 เท่า และ 23 เท่าตามลำดับ และมีน้ำหนักเพิ่มขึ้น 86 เปอร์เซ็นต์

นอกจากนี้ ยังสามารถปรับเปลี่ยนมอนอเมอร์ให้เฉพาะเจาะจงเพื่อควบคุมสมบัติของวัสดุได้ตามความต้องการได้อีกด้วย

ทิ้งท้าย

หนึ่งในทีมวิจัยกล่าวว่า วิธีการนี้อาจนำไปสู่วัสดุที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย เช่นใน exosuit* ที่ยืดหยุ่นสำหรับผู้ป่วยที่มีอาการบาดเจ็บที่โครงกระดูกซึ่งช่วยให้ผู้ป่วยแข็งแรงขึ้นเมื่อได้ใช้งาน

ข้อมูลเพิ่มเติม

exosuit คือ ชุดที่ผลิตขึ้นจากผ้าและขับเคลื่อนโดยใช้เส้นเอ็นที่ถูกจัดวางตำแหน่งเลียนแบบกล้ามเนื้อและเส้นเอ็นในขาของมนุษย์ 

https://www.thairobotics.com/2014/09/16/soft-exosuit  

https://wyss.harvard.edu/technology/soft-exosuit/

 แหล่งข้อมูลอ้างอิง

  1. https://phys.org/news/2019-01-self-growing-materials-response.html#jCp
  2. https://eurekalert.org/pub_releases/2019-01/hu-smt012519.php
  3. https://dailyscience.tk/index.php/2019/01/31/self-growing-materials-that-strengthen-in-response-to-force/
  4. งานวิจัยฉบับเต็ม : T. Matsuda el al., “Mechanoresponsive self-growing hydrogels inspired by muscle training,” Science (2019). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aau9533
Scroll Up