Inteligencja w mikroskali

autorka: Urszula Słonina

Inteligencja jest często definiowana jako umiejętność adaptacji do zmian otoczenia. Ludzie, którzy zdolni są do analizy dostępnego im kawałka rzeczywistości i odpowiednio szybkiej odpowiedzi w postaci podejmowanych działań, są postrzegani jako posiadacze tej tajemniczej cechy. Bodziec i adekwatna odpowiedź. To właśnie jest klucz do inteligencji. Nie inaczej jest na najprostszym, molekularnym poziomie, chociaż myślenie o tym w taki sposób nie jest może najbardziej intuicyjne.

Większości osób słyszących po raz pierwszy o hydrożelach, do głowy przychodzą zazwyczaj kulki do kwiatków pozwalające na utrzymanie roślin w stanie względnego nawodnienia. Nie jest to błędne skojarzenie, jednak potencjalne możliwości tych materiałów są zdecydowanie większe. Hydrożele są trójwymiarowymi polimerami zdolnymi zaabsorbować wodę lub inny rozpuszczalnik o masie kilkukrotnie większej niż ich własna. Mogą także wiązać inne substancje, także leki. Ostatnimi laty coraz większym zainteresowaniem cieszą się hydrożele wrażliwe na warunki zewnętrzne, które pod wpływem na przykład zmian pH czy też temperatury są w stanie pęcznieć lub kurczyć się. Ich działanie i czułość zależy od monomerów i domieszek, z których został zsyntezowany dany polimer hydrożelowy. 

Najpowszechniejszą grupą są właśnie materiały termoczułe. Odpowiednio zmodyfikowane mogą ulegać przemianom fazowym (przechodzić ze stanu skurczonego w spęczniały lub odwrotnie) w różnych temperaturach. Cząsteczki takich polimerów zawierają zwykle fragmenty hydrofilowe i hydrofobowe. Dobrym przykładem jest tu polimer pNIPA. 

W niskiej temperaturze woda otacza hydrofobowy fragment, tworząc swego rodzaju klatkę, utrzymywaną dzięki wiązaniom wodorowym. Zapobiega to „zlepianiu się” tych niepolarnych fragmentów i pozwala na pęcznienie materiału. Jednak wraz ze wzrostem temperatury, energia kinetyczna cząsteczek rozpuszczalnika wzrasta, przez co nie mogą one tworzyć usieciowanych struktur. Fragmenty hydrofobowe zaczynają do siebie przylegać. Polimer uwalnia rozpuszczalnik, co w makroskali obserwujemy jako kurczenie się hydrożelu.

Nieco inaczej działają materiały czułe na przepływ ładunków elektrycznych. Takie hydrożele oprócz łańcucha głównego zawierają w sobie fragmenty, które w łatwy i odwracalny sposób mogą ulegać reakcjom redoks. Często w badaniach wykorzystuje się ferrocen, który utlenia się niemal bezproblemowo, a struktura jonu ferroceniowego niemal nie wykazuje różnic geometrycznych z pierwotną cząsteczką. Odpowiednie rozmieszczenie ferrocenu w hydrożelowej sieci umożliwia przeskakiwanie elektronów pomiędzy kolejnymi grupami redoks (tzw. „hopping”). Powoduje to powstawanie lokalnych ładunków dodatnich lub też ujemnych, co w przypadku wiązania przez polimer cząsteczek elektrycznie nieobojętnych prowadzi do ich uwolnienia. Łatwo się domyślić, że zjawisko to potencjalnie może znaleźć zastosowanie w kontrolowanym uwalnianiu leków – jeden sygnał elektryczny i związana wcześniej przez hydrożel substancja może zostać uwolniona do otoczenia.

Hydrożele są w większości przypadków biozgodne, co oznacza, że nie są one toksyczne dla ludzkiego organizmu i nie wywołują reakcji odpornościowych. Daje to ogromne możliwości na polu medycznym, z czego chyba najciekawszym potencjalnym zastosowaniem są elektroczułe protezy, o niezwykle precyzyjnym działaniu. Hydrożele mogą być podstawą do stworzenia materiału, będącego integralną częścią ciała, wrażliwą na zmiany otoczenia już na poziomie oddziaływań molekularnych. Coraz więcej mówi się o stworzeniu neuroprotez (ang. neural prostheses) z zastosowaniem takich właśnie inteligentnych polimerów. Proteza taka mogłaby reagować na sygnały wysyłane bezpośrednio przez organizm i otoczenie. Jej wykorzystanie mogłoby obejmować przywracanie funkcji czuciowych, wzrokowych i słuchowych utraconych w wyniku uszkodzenia neuronów, ograniczanie spontanicznych drżeń związanych z chorobą Parkinsona, a nawet wspomaganie kontroli motorycznej sztucznych kończyn. Od stworzenia idealnej protezy naukowców dzielą jeszcze lata badań. 

Problemy stwarza nadal synteza materiałów o dużej regularności sieci i przewidywalnej trwałości, ale wizja prawdziwie kompatybilnej, inteligentnej protezy nerwowej jest całkiem realna.

Mówienie o inteligencji atomów może się wydawać absurdalnym pomysłem. Przecież za mechanizmami działania opisanych wyżej materiałów kryją się w gruncie rzeczy proste oddziaływania, które chemicy postanowili wykorzystać, projektując polimery wrażliwe na bodźce zewnętrzne. Wydawać by się mogło, że to zbyt mało, by mówić o prawdziwej inteligencji, ale czy nie tak samo działają ludzie? Ostatecznie to także zbiory atomów, może i dalece bardziej skomplikowane i różnorodne w swojej budowie, ale jednak działające dzięki tym samym oddziaływaniom i zjawiskom, które umożliwiają kurczenie się polimerów termoczułych. Te same wiązania wodorowe, które utrzymują struktury białkowe, budujące ludzkie ciało, pozwalają także na sieciowanie materiałów hydrożelowych. Granica inteligencji może się więc okazać bardzo płynna.

Źródła:

Carayon, Iga, et al. “Electro-Responsive Hydrogels: Macromolecular and Supramolecular Approaches in the Biomedical Field.” Biomaterials Science, vol. 8, no. 20, 13 Oct. 2020, pp. 5589–5600, https://doi.org/10.1039/D0BM01268H

Guiseppi-Elie, Anthony . “Electroconductive Hydrogels: Synthesis, Characterization and Biomedical Applications.” Biomaterials, 8 Jan. 2010, doi.org/10.1016/j.biomaterials.2009.12.052.

‌Termoczułe Polimery Usieciowane - Synteza I Wybrane Właściwości Praca Doktorska Mgr Inż. Agnieszka Hamerska-Dudra Promotor: Dr Hab. Inż. Andrzej W. Trochimczuk. 2007.

Maćkiewicz, Marcin. “Środowiskowo-Czułe Mikrożele Na Bazie N-Izopropyloakryloamidu. Synteza, Właściwości I Zastosowanie.” Ceon.pl, 19 Dec. 2016,

depotuw.ceon.pl/handle/item/1834, https://depotuw.ceon.pl/handle/item/1834

Marcisz, Kamil, et al. “Significant, Reversible Change in Microgel Size Using Electrochemically Induced Volume Phase Transition.” Applied Materials Today, vol. 13, 1 Dec. 2018, pp. 182–189, www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352940718302051, https://doi.org/10.1016/j.apmt.2018.09.006