 |
Synergetic Chemomechanical Patterns in Deformable Chemically Active Media
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
105270 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Horváth, Judit |
| Title in Hungarian |
Szinergetikus kemomechanikai mintázatok deformálható, kémiailag aktív közegben |
| Title in English |
Synergetic Chemomechanical Patterns in Deformable Chemically Active Media |
| Keywords in Hungarian |
kemomechanika, reszponszív gél, polielektrolit, reakció-diffúzió, nemlineáris dinamika, oszcilláló reakció |
| Keywords in English |
chemomechanics, responsive gel, polyelectrolyte, reaction-diffusion, nonlinear dynamics, oscillatory reaction |
| Discipline |
| Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 70 % | | Ortelius classification: Physical chemistry | | Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Macromolecular chemistry |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University) |
| Starting date |
2013-01-01 |
| Closing date |
2015-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
26.367 |
| FTE (full time equivalent) |
2.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Élőlények morfogenezise során a reakció-diffúziós folyamatok valamint a szövetek mechanikai és felületi sajátságai kombinálódnak egymással az alakzatok kialakulása folyamán. Szívműködés közben a szívizomszövet megfeszülése szintén visszacsatolást fejt ki az ingerület terjedésére nyúlásaktivált ioncsatornák révén. Az utóbbi években nagy előrelépések történtek ilyen mechanikailag csatolt biológiai rendszerek numerikus modellezésében. Reakció-diffúzió mintázatokat kísérletileg kémiai rendszerekben szoktak tanulmányozni, melyek egyszerűbbek és könnyebben kontrollálhatók. Ezeket a kísérleteket azonban szokványosan nemdeformálható mátrixban végzik, vagyis egy meghatározott alakú és méretű, merev gélben.
A kutatás általános célja a geometriai és méretváltozások szerepének tanulmányozása, ha azokat nemlineáris kémiai folyamatokkal csatoljuk. A kémiai folyamatok és elasztikus anyagok válasza között fellépő szinergetikus hatás olyan jelenségek kialakulásához is vezethet, melyet az alrendszerek egyike sem produkálna azonos körülmények között. Pl. ha egy savra nézve autokatalitikus (nem oszcilláló) reakciót egy pH-reszponzív gél belsejében játszatunk le miközben friss reaktánsokkal állandóan tápláljuk, az spontán mechanikai és kémiai oszcillációk kialakulásához vezethet. Gerjeszthető közegben egy spirálhullám magja egyirányú haladó mozgásra bírható a közeg periodikus nyújtása által. Ez a kémiai dinamika egy új területe, ahol új típusú emergens jelenségek után fogunk kutatni.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
(1) A szinergetikus kemomechanikai oszcillátorok a kemomechanikai aktuátorok egy új osztályát képezik. Eddig csupán három, savon alapuló példányt sikerült működésbe hozni (ebből kettőt én állítottam össze), ezek közül csak az utolsó képes nagy amplitudóval, napokon keresztül működni. Ezen új osztály általános viselkedési mintáinak megállapításához több, egymástól eltérő rendszert szükséges megfigyelni. Ebbe beletartozik pl. báziskatalizált rakciókra vagy komplexképzőkön keresztül előidézett fémion-koncentráció változásra adott válasz vizsgálata. A pH-reszponzív gélek elhagyásával remélhetőleg az igen szűk hőmérsékleti tolerancia is megoldódik.
(2) Általános elmélet szerint térben periodikus, pulzáló állóhullámok alakulhatnak ki egy olyan instabilitás révén, melyhez egy autokatalitikus folyamat és két visszacsatolás szükséges, ezek közül az egyiknek gyorsabbnak, a másiknak lassabbnak kell lennie az autokatalízisnél. Gélduzzadás betöltheti ennek a harmadik, lassú visszacsatolásnak a szerepét, amennyiben a másik kettő megfelelő mértékű, mint pl. egy Turing-mintázatban.
(3) A Belouszov-Zsabotyinszkij reakció sokszor szolgált elektrofiziológiai gerjeszthető közeg kísérleti modelljeként. Ennek ellenére a mechanikai deformáció hatását nagyon csekély mértékben vizsgálták. Egyszerűsített szívmodellek a deformáció kulcsszerepét jelzik bizonyos ritmuszavarok továbbalakulásával kapcsolatban. Pl. a tachikardiából fibrillációba való átmenetet gyorsíthatja, de meg is gátolhatja egy periodikus deformáció, a fázistól, frekvenciától stb. függően. Ez a hullámterjedés valamint a spirálok szétesésének periodikus 2D deformáció alatt történő kísérleti vizsgálatáért kiált a BZ-reakcióban.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
(1) Különféle - tehát nem csak savképződésre való reagáláson alapuló, hanem hidroxidionra vagy fémionra reagáló - kemomechanikai oszcillátorok működési körülményeinek és viselkedésének tanulmányozása révén világossá válhatnak azok az általános tulajdonságok, melyeknek meg kell felelni a rendszerben ahhoz, hogy tartós, autonóm működést tudjunk létrehozni. A felhalmozott tapasztalat révén megnyílhat az út a kényesebb reakciókkal működő szinergetikus kemomechanikai oszcillátorok előtt is, mint pl. enzimatikus rendszerben működtetett bioelasztikus anyagok.
(2) Egy új térbeli-időbeli instabilitás kísérleti igazolása, mely reakció-diffúzió folyamatok és reszponzív anyagok közötti összjáték révén jön létre, alapvető jelentőséggel bír. Ezen túlmenően a természetben fellelhető dinamikus morfogenetikai alakzatok megértéséhez is utat mutathat.
(3) A deformábilis, gerjeszthető közegben végzett kísérletek során olyan hatások is felléphetnek, melyeket a szimulációk nem jósoltak, de szív-fiziológiai vonatkozásban relevánsak lehetnek. A deformáció és a Belouszov-Zsabotyinszkij rendszerben történő hullámterjedés között remélhetően feltárt kvantitatív összefüggések, valamint a rendszereinkben végzett szinergetikus mintázatok utáni kutatás eredményei azokban az alapkutatásokban is hasznosíthatók lehetnek, melyek célja érintés-érzékeny kémiai géleszközök előállítása.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az oszcilláló kémiai reakciókat hosszú ideje a biológiában fellelhető számos ritmikus jelenség durva de igen instruktív modelljének tekintik, akár sejtszinten (pl. szívizomszövet) akár enzimatikus folyamatban (pl. glikolízis) jelenik meg a biológiai oszcillátor. A Belouszov-Zsabotyinszkij reakció különösen látványos képességét, miszerint csillapítatlan kémiai hullámok terjednek a reakcióelegyében, a szív egyszerűsített elektrofiziológiai modelljeként használták, mivel a szív összehúzódásait elektrokémiai hullámok vezérlik. Mozdulatlan BZ-oldatban végzett kísérletek már számos működési rendellenességgel kapcsolatban adtak útbaigazítást a múltban. Új szív-elektrofiziológiai tanulmányok, valamint reakciós-diffúziós-mechanikus szívmodelleken végzett szimulációk mind azt jelzik, hogy a szívizom megfeszülése visszacsatolást fejt ki az elektromos ingerület terjedésére. Így pl. a pulzusszám megváltoztatható sima mechanikai nyomással. A BZ-reakciót alig vizsgálták deformálható közegben. Kutatásom egyik célja periodikus deformáció hatásának kísérleti tanulmányozása a BZ-hullámok és spirálok viselkedésére elasztikus közegben. Elméleti jóslatok szerint ez instruktív információkkal szolgálhat még bizonyos szívritmuszavarok halálos kimenetelének késleltetéséhez is.
Élőlények morfogenezise során a reakció-diffúziós folyamatok valamint a szövetek mechanikai és felületi sajátságai kombinálódnak egymással az alakzatok kialakulása folyamán. Kutatásom során a kémiai folyamatok és elasztikus anyagok válasza közötti szinergetikus hatást kívánom tanulmányozni, mely olyan jelenségek kialakulásához is vezethet, melyet az alrendszerek egyike sem produkál azonos körülmények között.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In the morphogenesis of living things, reaction-diffusion processes and the elastic and interfacial properties of the tissues combine during the development of forms. In heart functioning, the stretching of the cardiac muscle exerts a feedback on the propagation of the electric signal via stretch-activated ion channels. In the recent years much progress has been achieved in the numerical modeling of such mechanically coupled bio-systems. Experimental studies on pattern formation are usually conducted on chemical reaction-diffusion systems. The latter are simpler and easier to control than the former. However, these experiments are ordinarily performed in non-deformable matrices, i.e. in rigid gels with fixed shape and size.
The general aim of the project is to experimentally study the effect and the role of geometric or size changes when they are made to couple with chemical nonlinear phenomena. The synergy between chemical processes and responsive elastic materials can give rise to phenomena that neither of the individual subsystems would exhibit under similar conditions. E.g., a simple acid autoactalytic (non oscillatory) reaction made to proceed in a pH-responsive gel can spontaneously induce mechanical and chemical oscillations under constant feed of fresh chemicals. The core of a spiral wave in an excitable medium can be made to drift by periodic stretching of the medium. This is a new field of nonlinear chemical dynamics where we shall seek for novel emerging phenomena.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
(1) Synergetic chemomechanical oscillators are a new class of chemomechanical actuators. Only three acid based exemplars (I constructed two of them) have been made to operate till now, of which only the last one is able to work with large amplitude over several days. To draw out the general behavioral patterns of this new class, their observations in quite different systems are needed. This includes e.g. exploitation of alkaline producing reactions or of metal ion concentration changes generated via complexons. By quitting pH-responsive gels, hopefully the very narrow temperature tolerance will be resolved, too.
(2) General theory predicts that arrays of spatially periodic standing oscillatory pulses can form through an instability that requires an autocatalytic process and two feedbacks, of which one is faster and the other is slower than the autocatalysis. Swelling-deswelling can introduce this third slow time-scale, once the two others are appropriately present/managed, e.g. in case of a Turing structure.
(3) The Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaction has been frequently used as an experimental model of an electro-physiologial excitable medium. However, the effect of forced mechanical deformations is experimentally very little explored. Though, simplified heart models predict the crucial role of mechanical deformations in the evolution of certain arrhythmia. E.g., transition from tachycardia to fibrillation can be accelerated or even prevented, depending on the phase, frequency etc. of a periodic deformation. This calls out for systematic experimental tests, under periodic 2D stretching, of the wave propagation and spiral breakup in the BZ-reaction.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
(1) Studying the operating conditions and behavior of a larger variety of synergetic chemomechanical oscillators, i.e. not only the ones based on response to acid production but on hydroxide ion or metal ion responsiveness, should bring a clearer view of the universal properties that have to be met in the system to produce sustained autonomous actuation operations. The accumulated experience could open the way for constructing such synergetic oscillators with more delicate reactions, e.g. in an enzymatic system operated in bioelastic materials.
(2) The experimental demonstration of new spatio-temporal instabilities, resulting from the interplay between reaction-diffusion processes and responsive materials, represents a fundamental aspect. Furthermore, it could provide a route for understanding some classes of dynamic morphogenetic forms in Nature.
(3) In the experiments on the deformable excitable medium, effects may arise that were not predicted by the simulations but could be of relevance in cardiac physiology. The quantitative relationships that are hoped to be established between deformation and wave propagation in the Belousov-Zhabotinsky reaction and the quest for synergetic patterns in our other systems may also be useful in the basic research aiming at fabricating touch-sensitive chemical-gel devices.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Since long ago, chemical oscillatory reactions have been considered as crude but instructive experimental models for a number of rhythmic biological phenomena, whether the biological oscillators act at the cell level (e.g. cardiac tissue) or in enzymatic processes (e.g. glycolysis). In particular, the spectacular capacity of the Belousov-Zhabotinsky reaction solution to propagate undamped chemical waves has been used as a simplified model for cardiac electrophysiology where electrochemical waves drive the heart contractions. Experiments on motionless BZ solutions have in the past provided hints on the origin of a number of heart malfunctions. Recent studies of heart electrophysiology and simulations on reaction-diffusion-mechanics models of the heart suggest that the stretching of the cardiac muscle exerts a feedback on the propagation of the electric signal. So, e.g., the rate can be changed by mechanical load. The BZ reaction was seldom studied in a deformable media. One of my present goals is to study experimentally the effect of imposed periodic deformations to BZ-waves and spirals in an elastic medium. According to theoretical predictions, this could also provide instructive information on how to prevent the lethal outcome of certain arrhythmia.
In the morphogenesis of living things, reaction-diffusion processes and the elastic and interfacial properties of the tissues combine during the development of forms. My research aims to study the synergy between chemical processes and responsive elastic materials that can give rise to phenomena that neither of the individual subsystems would exhibit under similar conditions.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
