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Stratégies de Design de Biomimetic pour Guérir chez le Nanoscale

par Professeur Anna Balazs

Professeur Anna Christina Balazs, Institut de McGowan pour le Médicament Régénérateur, Université de Pittsburgh
Auteur Correspondant : balazs@pitt.edu

La capacité de guérir des blessures est l'une des propriétés véritablement remarquables des systèmes biologiques. Un défi grand en science des matériaux est de concevoir les systèmes synthétiques « intelligents » qui peuvent imiter ce comportement non seulement « en sentant » la présence d'une « blessure » ou déserter, mais rétablir également activement la continuité et l'intégrité de la zone abîmée. De Tels matériaux étendraient de manière significative la vie et l'installation d'un tableau immense d'éléments manufacturés.

La Nanotechnologie est particulièrement appropriée à l'installation et à la fabrication des matériaux autocuratifs. Par exemple, pendant que les dispositifs atteignent des cotes de nanoscale, il devient critique de déterminer des moyens de réglage d'introduction à ces échelles de longueur. Faire Fonctionner et diriger les outils minuscules effectuer ce fonctionnement est toujours loin d'insignifiant. Une solution optimale serait de concevoir un système qui pourrait identifier l'aspect d'une fêlure nanoscopic ou fissurer et alors pourrait diriger des agents de réglage particulièrement vers ce site.

Même dans la fabrication des composants macroscopiques variés, les dégâts de nanoscale sont un problème critique. Par exemple, les encoches et les brouillons nanoscopic peuvent apparaître sur la surface des matériaux pendant le processus de fabrication. À cause de la petite taille de ces défauts, il est difficile les trouver et par conséquent, difficile à réparer.

De Tels défauts, cependant, peuvent exercer un effet substantiel sur les propriétés mécaniques du système. Par exemple, les concentrations de contrainte significatives peuvent se produire à l'extrémité des encoches dans la surface ; de telles régions de stress élevé peuvent éventuel mener au bouturage des fissures par le système et à la dégradation du comportement mécanique.

Ainsi, une des forces d'entraînement pour produire les matériaux autocuratifs1-9 est en fait la nécessité d'affecter le réglage sur le nanoscale. De l'aspect positif, les avances en nanotechnologie ont pu également fournir des artères pour réaliser la création de ces matériaux. En particulier, les scientifiques peuvent maintenant produire un alignement renversant de doux et les particules nanoscopic dures et avoir été s'adaptent hautement à régler la chimie extérieure de ces particules.

Ci-dessous, nous décrivons deux études de calcul récentes sur concevoir les matériaux autocuratifs qui exploitent les seules propriétés des particules nanoscopic. Comme nous notons ci-dessous, ces deux études prennent leur inspiration des systèmes biologiques.

Dans une étude récente concernant les nanoparticles mous, 10 nous nous sommes concentrés sur les particules nanoscopic de gel de polymère, ou les « nanogels »11 comme synthons primaires dans notre système. Les méthodologies Neuves ont récent activé la synthèse controlée par bien de tels colloïdes.12 En Outre, la surface de ces particules peut functionalized avec les groupes réactifs variés, qui permettent aux différentes particules de nanogel d'être réticulées dans un matériau macroscopique.11 Utilisant un modèle de calcul à gros grain, nous avons examiné des systèmes de tels réticulés, des particules molles de nanogel et avons conçu une couche qui subit le réarrangement structurel en réponse au stress mécanique, et évitons de ce fait la défaillance catastrophique du matériau.10

Nous avons supposé que les particules sont connectées par l'intermédiaire d'une fraction des obligations labiles (par exemple, thiol, bisulfure ou liaisons hydrogènes).3Les particules sont également interconnectées par des obligations plus intenses et moins réactives (par exemple, CC, des obligations), au lequel nous nous référons pendant que la « constante » colle, et ainsi, les documents de système une soi-disant « double édition absolue ».

Dans ce système, la gamme de produits, « constante » colle entre le jeu de nanogels un rôle essentiel en transmettant l'intégrité structurelle. C'est les obligations réactives et labiles, cependant, qui améliorent la force du matériau. En particulier, quand le matériau est tendu, les obligations labiles se brisent avant les connexions plus intenses ; ces obligations cassées permettent aux particules de glisser et glisser, entrent en contact avec les voisins neufs et établissent les rapports neufs qui mettent à jour la continuité du film.

De cette manière, les obligations labiles remettent la défaillance catastrophique et ainsi, transmettez les propriétés autocuratives au matériau. Par les simulations sur ordinateur, nous avons isolé le domaine de paramètre pour optimiser ce comportement autocuratif. En fait, nous avons constaté que juste une fraction de volume relativement petite des obligations labiles dans le matériau peut considérablement augmenter la capacité du réseau de résister à la défaillance catastrophique.10

Le comportement ci-dessus est conceptuellement analogue aux propriétés qui contribuent à la force de la nacre de shell d'ormeau, où des couches minérales fragiles sont interconnectées par une couche de polymères réticulés.13 Sous une déformation de tension, les faibles barrettes ou « obligations sacrificatoires » croisées sont les premières à briser. Ces ruptures dissipent l'énergie et atténuent de ce fait les effets de la déformation mécanique. En Conséquence, le bris de ces aides sacrificatoires d'obligations mettent à jour l'intégrité structurelle du matériau.

Dans une autre étude récente, 14 nous avons également pris notre inspiration de la fonctionnalité des leucocytes biologiques, qui localisent à une blessure et facilitent de ce fait le processus de réparation. Dans notre système synthétique, le « leucocyte » est une microcapsule polymère, les agents curatifs sont les nanoparticles solides encapsulés et la « blessure » est une fêlure microscopique sur une surface. Dans la simulation, de microcapsules nanoparticle remplies sont pilotées par un écoulement de fluide imposé pour déménager le long du substrat criqué (voir la Fig. 1).

Les simulations ont indiqué que ces gélules peuvent fournir les nanoparticles encapsulés aux sites particuliers sur le substrat, produisant effectivement d'une artère alterne à réparer les défauts extérieurs. Une Fois Que les nanoparticles curatifs étaient déposés sur les sites désirés, les gélules motivées par le liquide pourraient déménager davantage le long de la surface et pour cette raison, la stratégie s'est nommée « réglage-et-vont ». La dernière stratégie pourrait être particulièrement avantageuse puisqu'elle aurait l'incidence négligeable sur la précision des régions non-défectueuses et concerne des quantités minimums des matériaux de réglage.

Figure1. Sortie Graphique de la simulation affichant le mouvement motivé par le liquide d'une gélule sur une surface abîmée ; augmentations de temps allant de gauche à droite. Les images dépeignent le mouvement de la gélule de sa position initiale (haut) à l'intérieur de la fêlure (moyenne) et de sa réapparition sur la partie intacte de la surface (bas). Le gris a ombragé des zones marquent le substrat et les remarques bleues correspondent aux nanoparticles. Les flèches Rouges indiquent le sens du flux de cisaillement imposé.

Il est remarquable que les gélules de taille d'un micron remplies de particules dissoutes puissent entourer les charges très élevées, leur permettant rapidement de transporter et fournir un grand nombre de nanoparticles à un emplacement désiré. En Outre, le mouvement prolongé et flux flux de ces microsupports permet potentiellement à des régions abîmées multiples d'être guéries par les gélules.

En plus des fissures extérieures curatives, de microcapsules nanoparticle remplies ont pu fournir le moyen efficace d'évaluer l'intégrité de la surface. Les microcapsules motivées par le liquide continueraient à déménager le long d'un « sain », système intact, mais devenu enfermé ou localisé à un site abîmé et ainsi, livrez un « repère » chimique visible, comme les nanoparticles fluorescents. De Tels repères permettraient à on non-destructively de localiser et cheminer les régions abîmées.

Les exemples ci-dessus indiquent comment des concepts de la biologie peuvent être employés pour concevoir les systèmes synthétiques qui s'adaptent au stress mécanique des voies avantageuses. En comportant de tels mécanismes biomimetic dans la fabrication des composants, on peut étendre l'aptitude à soutenir des opérations prolongées du système. Ainsi, ces concepts de construction neufs peuvent éventuel s'avérer économiquement avantageux.


Références

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6. Balazs, COURANT ALTERNATIF, Modélisant les matériaux autocuratifs, Matériaux Aujourd'hui 2007, 10, 18 - 23.
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9. Hickenboth, C.R. et autres, Polarisant les processus réactionnels avec la force mécanique, Nature 2007, 446, 423 - 427.
10. Kolmakov, G.V., Matyjaszewski, K., et Balazs, COURANT ALTERNATIF, « Armant les obligations labiles entre les particules de nanogel pour produire les matériaux autocuratifs », Nano 2009, 3, 885-892 d'ACS.
11. Minute, K., et Matyjaszewski, K., polymérisation radicale d'Atome-Transfert dans la microémulsion, Macromolécules 2005, 38, 8131 - 8134.
12. Minute, K., Gao, H., et Matyjaszewski, K., Développement ab initio d'une polymérisation radicale de transfert d'émulsion : de la microémulsion à l'émulsion, J. Am. Chim. Soc. 2006, 128, 10521 - 10526.
13. Smith, B.L., Schaffer, T.E., Viani, M., Thompson, J.B., Frederick, N.A., Kindt, J., Belcher, A., Stucky, G.D., Morse, D.E., et Hansma, P.K., origine mécaniste Moléculaire de la dureté de l'adhésif naturel, fibres et composés, Nature 1999, 399, 761-763.
14. Kolmakov, G.V., Revanur, R., Tangirala, R., Emrick, T., Russell, T.P., Crosby, A.J., et Balazs, A.B., Utilisant de microcapsules nanoparticle remplies pour la guérison site-particulière des substrats abîmés : produire « réglage-et-vont » système », le Nano 2010, 4, 1115-1123 d'ACS.

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Anna Christina Balazs (Université de Pittsburgh)

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

Last Update: 14. June 2013 04:06

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