Estrategias de Diseño de Biomimetic para Curar en el Nanoscale

por Profesor Ana Balazs

Profesor Ana Christina Balazs, Instituto de McGowan para el Remedio Regenerador, Universidad de Pittsburgh
Autor Correspondiente: balazs@pitt.edu

La capacidad de curar heridas es una de las propiedades verdaderamente notables de sistemas biológicos. Un reto magnífico en la ciencia material es diseñar los sistemas sintetizados “elegantes” que pueden imitar este comportamiento no sólo “detectando” la presencia de una “herida” o de defecto, pero también activamente el restablecimiento de la continuidad y de la integridad del área dañada. Tales materiales ampliarían importante el curso de la vida y el utilitario de un arsenal extenso de items manufacturados.

La Nanotecnología es determinado relevante al utilitario y a la fabricación de materiales autoregenerables. Por ejemplo, como los dispositivos alcanzan dimensiones del nanoscale, llega a ser crítico establecer medios de la reparación que asciende en estas escalas de la longitud. Operatorio y ordenar las herramientas minuciosas realizar esta operación todavía está lejos de trivial. Una solución óptima sería diseñar un sistema que podría reconocer el aspecto de una rajadura nanoscopic o agrietar y entonces podría dirigir agentes de la reparación específicamente a ese sitio.

Incluso en la manufactura de diversos componentes macroscópicos, el daño del nanoscale es un asunto crítico. Por ejemplo, las muescas y las rayaduras nanoscopic pueden aparecer en la superficie de materiales durante el proceso de fabricación. Debido al tamaño pequeño de estos defectos, son difíciles de detectar y por lo tanto, difícil reparar.

Tales defectos, sin embargo, pueden tener un efecto sustancial sobre las propiedades mecánicas del sistema. Por ejemplo, las concentraciones de tensión importantes pueden ocurrir en la punta de muescas en la superficie; tales regiones de alta tensión pueden llevar final a la propagación de rajaduras a través del sistema y a la degradación del comportamiento mecánico.

Así, una de las fuerzas impulsoras para crear los materiales autoregenerables1-9 es de hecho la necesidad de afectar a la reparación en el nanoscale. En la cara positiva, los avances en nanotecnología podían también proporcionar a las rutas para realizar la creación de estos materiales. Particularmente, los científicos pueden ahora producir un arsenal imponente de suave y las partículas nanoscopic duras y haberse convertido se adaptan altamente en la adaptación de la química superficial de estas partículas.

Abajo, describimos dos estudios de cómputo recientes en el diseño de los materiales autoregenerables que explotan las propiedades únicas de partículas nanoscopic. Como observamos abajo, ambos estos estudios toman su inspiración de sistemas biológicos.

En un estudio reciente que implicaba nanoparticles suaves, 10 nos centramos en partículas nanoscopic del gel del polímero, o “nanogels”11 como los bloques huecos primarios en nuestro sistema. Las Nuevas metodologías han activado recientemente la síntesis bien-controlada de tales coloides.12 Además, la superficie de estas partículas se puede functionalized con los diversos grupos reactivos, que permiten que las partículas individuales del nanogel sean reticuladas en un material macroscópico.11 Usando un modelo de cómputo de grano grueso, examinamos los sistemas de tales reticulados, las partículas suaves del nanogel y diseñamos una capa que experimenta el cambio estructural en respuesta a la tensión mecánica, y de tal modo prevenimos el incidente catastrófico del material.10

Asumimos que las partículas están conectadas vía una parte de bonos inestables (los bonos e.g., del tiol, del disulfuro o de hidrógeno).3Las partículas también son interconectadas por bonos más fuertes, menos reactivos (e.g., CENTÍMETRO CÚBICO, bonos), a que referimos mientras que la “permanente” pega, y así, las piezas de convicción del sistema una supuesta “interconexión doble”.

Dentro de este sistema, el establo, “permanente” pega entre el juego de los nanogels un papel esencial comunicando integridad estructural. Es los bonos reactivos, inestables, sin embargo, que mejoran la fuerza del material. Particularmente, cuando se esfuerza el material, los bonos inestables se rompen antes de las conexiones más fuertes; estos bonos fragmentados permiten que las partículas se deslicen y deslicen, entran en el contacto con los nuevos vecinos y hacen las nuevas conexiones que mantienen la continuidad de la película.

De este modo, los bonos inestables posponen incidente catastrófico y de tal modo, comunique las propiedades autoregenerables al material. Con las simulaciones por ordenador, aislamos el rango del parámetro para optimizar este comportamiento autoregenerable. De hecho, encontramos que apenas una fracción de volumen relativamente pequeña de bonos inestables dentro del material puede aumentar dramáticamente la capacidad de la red de resistir incidente catastrófico.10

El comportamiento antedicho es conceptual análogo a las propiedades que contribuyen a la fuerza del nácar del shell del olmo, donde las capas inorgánicas quebradizas son interconectadas por una capa de polímeros reticulados.13 Bajo deformación de tensión, las conexiones o los “bonos sacrificatorios cruzados débiles” son las primeras a romperse. Estas rupturas disipan energía y de tal modo atenúan los efectos de la deformación mecánica. Por Lo Tanto, la rotura de estas ayudas sacrificatorias de los bonos mantiene la integridad estructural del material.

En otro estudio reciente, 14 también tomamos nuestra inspiración de las funciones de los leucocitos biológicos, que localizan en una herida y de tal modo facilitan el proceso de la reparación. En nuestro sistema sintetizado, el “leucocito” es una microcápsula polimérica, los agentes curativos son nanoparticles sólidos encapsulados y la “herida” es una rajadura microscópica en una superficie. En la simulación, las microcápsulas nanoparticle-llenadas son impulsadas por un flujo flúido impuesto para moverse a lo largo del substrato hendido (véase Fig. 1).

Las simulaciones revelaron que estas cápsulas pueden entregar los nanoparticles encapsulados a los sitios específicos en el substrato, generando efectivo una ruta alternativa a reparar los defectos superficiales. Una Vez Que los nanoparticles curativos fueron depositados en los sitios deseados, las cápsulas flúido-impulsadas podrían moverse más lejos a lo largo de la superficie y por este motivo, la estrategia fue llamada “reparación-y-va”. La última estrategia podría ser determinado ventajosa puesto que tendría impacto insignificante en la precisión de las regiones no defectivas e implica las cantidades mínimas de los materiales de la reparación.

Figure1. Rendimiento Gráfico de la simulación que muestra el movimiento flúido-impulsado de una cápsula en una superficie dañada; aumentos del tiempo que van de izquierda a derecha. Las imágenes representan el movimiento de la cápsula de su posición inicial (parte superior) al interior de la rajadura (central) y de su re-aparición sobre la porción indemne de la superficie (parte inferior). El gris sombreó áreas marca el substrato y las puntas azules corresponden a los nanoparticles. Las flechas Rojas indican la dirección del flujo de resistencia impuesto.

Es significativo que las cápsulas micrón-clasificadas llenadas de las partículas disueltas pueden abarcar las cargas útiles muy altas, permitiendo que lleven y que entreguen rápidamente una gran cantidad de nanoparticles a una ubicación deseada. Además, el movimiento continuado, flujo-impulsado de estos microportadores potencialmente permite que las regiones dañadas múltiplo sean curadas por las cápsulas.

Además de las rajaduras superficiales curativas, las microcápsulas nanoparticle-llenadas podían proporcionar a medios efectivos de evaluar la integridad de la superficie. Las microcápsulas flúido-impulsadas continuarían moverse a lo largo de un “sano”, sistema indemne, pero se atrapado o se localizado en un sitio dañado y de tal modo, entregue una “etiqueta de plástico química visible”, por ejemplo nanoparticles fluorescentes. Tales etiquetas de plástico permitirían a uno non-destructively localizar y seguir su trayectoria las regiones dañadas.

Los ejemplos antedichos indican cómo los conceptos de la biología se pueden utilizar para diseñar los sistemas sintetizados que se adaptan a la tensión mecánica de maneras beneficiosas. Incorporando tales mecanismos biomimetic en la fabricación de componentes, uno puede ampliar la continuidad del sistema. Así, estos nuevos conceptos de diseño pueden demostrar final ser económicamente ventajosos.


Referencias

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3. Caucho de Cordier, del P., de Tournilhac, del F., de Soulie-Ziakovic, de la C., y de Leibler, del L., Autoregenerable y termorreversible del ensamblaje supramolecular, Naturaleza 2008, 451, 977-980.
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14. Kolmakov, G.V., Revanur, R., Tangirala, R., Emrick, T., Russell, T.P., Crosby, A.J., y Balazs, A.B., Usando las microcápsulas nanoparticle-llenadas para la cura sitio-específica de substratos dañados: el crear “reparación-y-va” sistema”, ACS 2010 Nano, 4, 1115-1123.

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Ana Christina Balazs (Universidad de Pittsburgh)

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

Last Update: 14. June 2013 04:44

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