Biomimetic-Auslegungs-Strategien für das Heilen beim Nanoscale

durch Professor Anna Balazs

Professor Anna Christina Balazs, McGowan-Institut für Verbessernde Medizin, Universität von Pittsburgh
Entsprechender Autor: balazs@pitt.edu

Die Fähigkeit, Wunden zu heilen ist eins der wirklich bemerkenswerten Eigenschaften der biologischen Anlagen. Eine großartige Herausforderung in der Materialwissenschaft ist, „intelligente“ synthetische Anlagen, die dieses Verhalten nachahmen können, indem sie „nicht nur“ das Vorhandensein einer „Wunde“ oder des Defektes ermittlen, aber die Kontinuität und die Integrität des Notstandsgebiets auch aktiv wieder herstellen zu konstruieren. Solche Materialien würden beträchtlich die Lebenszeit und das Hilfsprogramm einer beträchtlichen Reihe hergestellter Felder ausdehnen.

Nanotechnologie ist zum Hilfsprogramm und zur Fälschung von Selbstheilungsmaterialien besonders relevant. Zum Beispiel während Einheiten nanoscale Abmessungen erreichen, wird es kritisch, Mittel zur Förderung Reparatur an diesen Längenschuppen festzulegen. Winzige Hilfsmittel Zu Betreiben und das Verweisen, diese Arbeit durchzuführen ist noch weit von triviales. Eine optimale Lösung würde, eine Anlage zu konstruieren sein, die das Aussehen eines nanoscopic Bruches erkennen oder spalten könnte und könnte Agenzien der Reparatur auf diese Site dann speziell verweisen.

Sogar in der Fertigung von verschiedenen makroskopischen Bauteilen, ist nanoscale Schaden eine entscheidende Frage. Zum Beispiel können nanoscopic Kerben und Kratzer auf der Oberfläche von Materialien während des Herstellungsverfahrens erscheinen. Wegen des kleinen dieser Defekte, sind sie schwierig zu entdecken und infolgedessen, schwierig zu reparieren.

Solche Defekte können einen erheblichen Effekt auf die mechanischen Eigenschaften der Anlage jedoch haben. Zum Beispiel können beträchtliche Kerbwirkungen an der Spitze von Kerben in der Oberfläche auftreten; solche Regionen des hohen Druckes können zu die Ausbreitung von Brüchen durch die Anlage schließlich führen und den Abbau des mechanischen Verhaltens.

So ist eine der treibenden Kräfte für das Erstellen von Selbstheilungs1-9 materialien tatsächlich der Bedarf, Reparatur auf dem nanoscale zu beeinflussen. Auf der positiven Seite konnten Fortschritte in der Nanotechnologie Wege für die Verwirklichung der Schaffung dieser Materialien auch zur Verfügung stellen. Insbesondere können Wissenschaftler eine erstaunliche Reihe von weichem jetzt produzieren und harte nanoscopic Partikel und geworden zu sein passen in hohem Grade sich am Herstellen der Oberflächenchemie dieser Partikel an.

Unten beschreiben wir zwei neue Computeruntersuchungen über das Konstruieren von Selbstheilungsmaterialien, die die eindeutigen Eigenschaften von nanoscopic Partikeln ausnutzen. Wie wir unten beachten, nehmen beide diese Studien ihre Inspiration von den biologischen Anlagen.

In einer neuen Studie, die weiche nanoparticles mit einbezieht, 10 konzentrierten uns wir auf nanoscopic Polymergelpartikel oder „nanogels“11 als die Hauptbausteine in unserer Anlage. Neue Verfahrene haben vor kurzem die gut-kontrollierte Synthese solcher Kolloide aktiviert.12 Außerdem kann die Oberfläche dieser Partikel mit verschiedenen reagierenden Gruppen functionalized, die die einzelnen nanogel Partikel in ein makroskopisches Material quervernetzt sein lassen.11 Unter Verwendung eines grobkörnigen Computerbaumusters prüften wir Anlagen solcher quervernetzten, weichen nanogel Partikel und konstruierten eine Beschichtung, die strukturelle Neuordnung in Erwiderung auf mechanische Belastung durchmacht, und verhindern dadurch das katastrophale Versagen des Materials.10

Wir nahmen an, dass die Partikel über einen Bruch von labilen Anleihen angeschlossen werden (z.B., Thiolalkohol-, Disulfid- oder Wasserstoffanleihen).3Die Partikel werden auch durch die stärkeren, weniger reagierenden Anleihen (z.B., CM, die Anleihen), das wir ansprechen, während die „Permanente“ klebt, und folglich, die Anlagenausstellungen eine so genannte „Doppelvernetzung“ untereinander verbunden.

Innerhalb dieser Anlage klebt der Stall, „Permanente“ zwischen dem nanogels Spiel eine wesentliche Rolle, indem er strukturelle Integrität zuteilt. Es ist die reagierenden, labilen Anleihen jedoch die die Stärke des Materials verbessern. Insbesondere wenn das Material belastet ist, brechen die labilen Anleihen vor den stärkeren Anschlüssen; diese unterbrochenen Anleihen lassen die Partikel schieben und schieben, gekommen in Kontakt mit neuen Nachbarn und neue Beziehungen herstellen, die die Kontinuität des Filmes beibehalten.

Auf diese Art schieben die labilen Anleihen katastrophales Versagen hinaus und dadurch, teilen Sie Selbstheilungseigenschaften zum Material zu. Durch die Computersimulationen trennten wir die Parameterreichweite für die Optimierung dieses Selbstheilungsverhaltens. Tatsächlich fanden wir, dass gerade ein verhältnismäßig Bändchenbruch von labilen Anleihen innerhalb des Materials die Fähigkeit des Netzes drastisch erhöhen kann, sich katastrophalem Versagen zu widersetzen.10

Das oben genannte Verhalten ist den Eigenschaften begrifflich analog, die zur Stärke des Ohrschneckenshellperlmuttes beitragen, in dem spröde anorganische Schichten durch eine Schicht quervernetzte Polymere untereinander verbunden werden.13 Unter einer dehnbaren Deformation sind die schwachen Querlinks oder „die Opferanleihen“ die ersten, zu brechen. Diese Brüche zerstreuen Energie und schwächen dadurch die Effekte der mechanischen Deformation ab. Infolgedessen behalten der Bruch dieser Opferanleihenhilfen die strukturelle Integrität des Materials bei.

In einer anderen neuen Studie14 nahmen wir auch unsere Inspiration von der Funktionalität von biologischen Leukozyten, die an einer Wunde lokalisieren und dadurch den Reparaturprozeß ermöglichen. In unserer synthetischen Anlage ist die „Leukozyte“ eine polymerische Mikrokapsel, sind die heilenden Agenzien eingekapselte feste nanoparticles und die „Wunde“ ist ein mikroskopischer Bruch auf einer Oberfläche. In der Simulation werden die nanoparticle-gefüllten Mikrokapseln durch einen auferlegten flüssigen Fluss getrieben, um sich entlang die gebrochene Substratfläche zu bewegen (sehen Sie Feige. 1).

Die Simulationen deckten auf, dass diese Kapseln die eingekapselten nanoparticles an spezifische Sites auf der Substratfläche entbinden können und einen Ausweichleitweg zur Reparatur von Oberflächenfehlern effektiv erzeugen. Sobald die heilenden nanoparticles auf den gewünschten Sites abgegeben wurden, konnten sich die flüssig-gesteuerten Kapseln weiter entlang die Oberfläche bewegen und aus diesem Grund, wurde als die Strategie „Reparatur-und-gehen“ bezeichnet. Die letzte Strategie könnte besonders günstig sein, da sie geringfügige Auswirkung auf die Präzision der nicht-defekten Regionen haben und minimale Mengen der Reparaturmaterialien miteinbezieht würde.

Figure1. Grafische Ausgabe von der Simulation, die den flüssig-gesteuerten Antrag einer Kapsel auf einer geschädigten Oberfläche zeigt; Zeitzunahmen, die von links nach rechts gehen. Die Bilder stellen die Bewegung der Kapsel von seiner Anfangsstellung (Oberseite) zum Innenraum des Bruches (mittlere) und seiner neuen Erscheinung auf den unbeschädigten Teil der Oberfläche dar (Unterseite). Die grauen Schattenräume markieren die Substratfläche und die blauen Punkte entsprechen den nanoparticles. Rote Pfeile zeigen die Richtung des auferlegten Schubflusses an.

Es ist bemerkenswert, dass die Mikron-groß Kapseln, die mit aufgelösten Partikeln gefüllt werden, sehr hohe Kostenbelastungen umgeben können und sie große Mengen nanoparticles an einen gewünschten Einbauort schnell tragen und entbinden lassen. Außerdem erlaubt der anhaltende, Fluss-gesteuerte Antrag dieser Mikrotransportunternehmer möglicherweise, dass Mehrfachverbindungsstelle geschädigte Regionen durch die Kapseln geheilt werden.

Zusätzlich zu heilenden Oberflächenrissen konnten die nanoparticle-gefüllten Mikrokapseln effektive Mittelwerte des Einschätzens der Integrität der Oberfläche zur Verfügung stellen. Die flüssig-gesteuerten Mikrokapseln würden fortfahren, sich entlang ein „gesundes“ zu bewegen, unbeschädigte Anlage, aber geworden eingeschlossen oder lokalisiert an einer schädigenden Site und dadurch, entbinden Sie eine sichtbare chemische „Markierung“, wie Leuchtstoffnanoparticles. Solche Markierungen würden ein zu nicht--destruktiv lokalisieren und aufspüren die geschädigten Regionen aktivieren.

Die oben genannten Beispiele zeigen an, wie Konzepte von der Biologie verwendet werden können, um synthetische Anlagen zu konstruieren, die mechanischer Belastung auf nützliche Arten sich anpassen. Indem es solche biomimetic Vorrichtungen in die Fälschung von Bauteilen enthält, kann man die Nachhaltigkeit der Anlage ausdehnen. So können diese neuen Konzepte des Entwurfes schließlich sein wirtschaftlich günstig.


Bezüge

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Copyright AZoNano.com, Professor Anna Christina Balazs (Universität von Pittsburgh)

Date Added: Sep 9, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:12

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