Vlinder van gel verandert van kleur

Een gel met nanokristallen en levende hartcellen verandert van kleur. Als mooi voorbeeld maakten de Chinese onderzoekers een vlinder van de gel, maar het materiaal kan ook het ritme van hartcellen meten.

In de natuur komen veel felle kleuren voor, bijvoorbeeld bij vlinders en pauwenveren. Deze worden veroorzaakt door de nanostructuur van het oppervlak, dat uit allemaal kleine schubjes bestaat. Deze hebben een herhalende structuur, waardoor ze alleen licht met een bepaalde golflengte weerkaatsen. De afstand tussen de schubben bepaalt welk licht wordt weerkaatst, waardoor allerlei kleuren mogelijk zijn (lees: 'Nanostructuur geeft bacteriën hun kleur.').

Normaal gesproken veranderen kunstmatige structurele kleuren niet vanzelf. Onderzoekers van de Southeast University in Nanjing, China kregen dit wel voor elkaar met een speciale hydrogel, een gel die grotendeels uit water bestaat.
 

Nanokristallen

Ze voegden lichtreflecterende nanokristallen toe aan de gel, waarna ze hier levende hartcellen op legden. Hartcellen kloppen uit zichzelf, waarbij ze telkens samentrekken en weer ontspannen. De hydrogel beweegt mee met de hartcellen, en verandert daardoor continu van vorm. Deze beweging trekt de nanokristallen uit elkaar of drukt ze juist naar elkaar toe, waardoor de hydrogel van kleur verandert in het ritme van het kloppen.
 

Vlinder

Om het effect van hun hydrogel te laten zien, maakten de onderzoekers een vlinder van het materiaal. De spontane samentrekking van de hartcellen zorgt ervoor dat de vleugels op en neer gaan, en daarbij van kleur veranderen. In het echt bewoog de vlinder in een vloeistof, maar de beweging lijkt veel op een vliegende vlinder in de lucht.
 

Chip

De vlinder is natuurlijk erg mooi, maar de hydrogel is eigenlijk bedoeld voor biomedische doeleinden. Hij functioneerde namelijk als sensor voor een heart-on-a-chip (lees: ‘3D-printer maakt hart op een chip’). Hiervoor maakten de wetenschappers een plak hydrogel op zo’n manier aan de hartcellen vast, dat hij omhoog buigt wanneer de cellen samentrekken, en naar beneden zakt als de cellen ontspannen.
 

De samentrekkingskracht van de hartcellen bepaalt hoe ver de hydrogel zich naar boven buigt, en daarmee welke kleuren zichtbaar worden. Onder normale omstandigheden wisselde de hydrogel in een vast ritme tussen rood en groen. De kleuren die je ziet, zijn een maat voor de doorbuiging van de hydrogel én de kracht waarmee de hartcellen samentrekken.
 

Blauw

Vervolgens voegden de onderzoekers een medicijn toe dat op adrenaline lijkt. Hierdoor gingen de hartcellen sneller kloppen, en vond de kleuromslag ook sneller plaats. Daarnaast klopten de hartcellen krachtiger, waardoor de kleuren die de gel reflecteerde veranderden: de hydrogel wisselde nu tussen rood en blauw.
 

De hydrogel laat dus zien hoe snel de aanwezige hartcellen kloppen, en hoe sterk ze zich samentrekken. Hierdoor is de gel mogelijk nuttig als een sensor voor hearts-on-chips, die het effect van medicijnen op de hartslag op een visuele manier weergeeft.

Openingsbeeld: blauwe morpho. Foto: Tom Hilton.