Vi stöter alla på geler i vårt dagliga liv – från de mjuka, klibbiga ämnena i håret till de geléliknande komponenterna i olika livsmedel. Även om människans hud har geléliknande egenskaper har den unika egenskaper som är mycket svåra att replikera. Den kombinerar hög styvhet med flexibilitet, och den har en anmärkningsvärd självläkande förmåga, ofta läker den helt inom 24 timmar efter en skada.
Hittills har artificiella geler antingen lyckats replikera den höga styvheten eller den naturliga hudens självläkande egenskaper, men inte båda. Nu har ett forskarlag från Aalto-universitetet och universitetet i Bayreuth som de första utvecklat en hydrogel med en unik struktur som övervinner tidigare begränsningar och öppnar dörren för tillämpningar som läkemedelstillförsel, sårläkning, mjuka robotsensorer och artificiell hud.
I studien lade forskarna till exceptionellt stora och ultratunna specifika lernanoskikt till hydrogeler, som vanligtvis är mjuka och kladdiga. Resultatet är en mycket ordnad struktur med tätt sammanflätade polymerer mellan nanoskivorna, vilket inte bara förbättrar hydrogelens mekaniska egenskaper utan också gör det möjligt för materialet att självläka.
Forskningen publiceras i Nature Materials.
Läkning via ”sammanflätning
Hemligheten med materialet ligger inte bara i det organiserade arrangemanget av nanoarken, utan också i de polymerer som är intrasslade mellan dem – och en process som är lika enkel som att baka. Postdoktor Chen Liang blandade ett pulver av monomerer med vatten som innehåller nanosheets. Blandningen placerades sedan under en UV-lampa – liknande den som används för att stelna nagellack.
”UV-strålningen från lampan gör att de enskilda molekylerna binds samman så att allt blir ett elastiskt fast ämne – en gel”, förklarar Liang.
”Sammanflätningen innebär att de tunna polymerlagren börjar snurra runt varandra som små ullgarn, men i en slumpmässig ordning”, tillägger Hang Zhang från Aalto-universitetet. ”När polymererna är helt sammanflätade går de inte att skilja från varandra. De är mycket dynamiska och rörliga på molekylnivå, och när man skär i dem börjar de flätas samman igen.”
Fyra timmar efter att materialet skurits med en kniv är det redan 80-90% självläkande. Efter 24 timmar är det vanligtvis helt reparerat. En hydrogel som är en millimeter tjock innehåller dessutom 10.000 lager av nanosheets, vilket gör materialet lika styvt som mänsklig hud och ger det en jämförbar grad av stretch och flexibilitet.
”Styva, starka och självläkande hydrogeler har länge varit en utmaning. Vi har upptäckt en mekanism för att stärka de konventionellt mjuka hydrogelerna. Detta kan revolutionera utvecklingen av nya material med bioinspirerade egenskaper”, säger Zhang.
Hämtar inspiration från naturen
”Det här arbetet är ett spännande exempel på hur biologiska material inspirerar oss att leta efter nya kombinationer av egenskaper för syntetiska material. Föreställ dig robotar med robusta, självläkande skinn eller syntetiska vävnader som reparerar sig själva”, säger Olli Ikkala från Aalto-universitetet.
Även om det kan vara en bit kvar till verklig tillämpning, utgör de aktuella resultaten ett avgörande steg framåt. ”Det här är den typ av grundläggande upptäckt som kan förnya reglerna för materialdesign”, säger professor Ikkala.
Samarbetet leddes av Dr. Hang Zhang, Prof. Olli Ikkala och Prof. Josef Breu. De syntetiska lernanoskivorna designades och tillverkades av professor Josef Breu vid universitetet i Bayreuth i Tyskland.
Mer information: ”Styva och självläkande hydrogeler genom polymerförvecklingar i samplanar nanokonfinement”, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02146-5
