Strategie di Progettazione di Biomimetic per la Guarigione al Nanoscale

dal Professor Anna Balazs

Il Professor Anna Christina Balazs, Istituto di McGowan per Medicina A Ricupero, Università di Pittsburgh
Autore Corrispondente: balazs@pitt.edu

La capacità di guarire le ferite è uno dei beni vero notevoli dei sistemi biologici. Una grande sfida nella scienza dei materiali è di progettare i sistemi sintetici “astuti„ che possono imitare questo comportamento non solo “percependo„ la presenza “di ferita„ o disertare, ma anche attivamente ristabilire la continuità e l'integrità dell'area nociva. Tali materiali estenderebbero significativamente la vita e l'utilità di vasta schiera degli elementi fabbricati.

La Nanotecnologia è particolarmente pertinente sia all'utilità che alla lavorazione dei materiali autorigeneranti. Per esempio, mentre le unità raggiungono le dimensioni del nanoscale, diventa critico stabilire i mezzi di riparazione di promozione a questi disgaggi di lunghezza. Il Funzionamento e dirigere degli strumenti minuscoli effettuare questa operazione sono ancora lontano da irrilevante. Una soluzione ottimale sarebbe di progettare un sistema che potrebbe riconoscere l'aspetto di una crepa nanoscopic o fendere e poi potrebbe dirigere gli agenti della riparazione specificamente verso quel sito.

Anche nella lavorazione di varie componenti macroscopiche, il danno del nanoscale è una questione critica. Per esempio, le tacche ed i graffi nanoscopic possono comparire sulla superficie dei materiali durante il processo di fabbricazione. A causa del di piccola dimensione di questi difetti, sono difficili da individuare e conseguentemente, difficile riparare.

Tale diserta, tuttavia, può avere un effetto sostanziale sui beni meccanici del sistema. Per esempio, le concentrazioni di sforzo significative possono accadere al suggerimento delle tacche nella superficie; tali regioni di alto sforzo possono infine piombo alla propagazione delle crepe attraverso il sistema ed alla degradazione di comportamento meccanico.

Quindi, una delle forze motrici per la creazione dei materiali autorigeneranti1-9 è in effetti la necessità di pregiudicare la riparazione sul nanoscale. Dal lato positivo, gli sviluppi della nanotecnologia hanno potuto anche fornire gli itinerari per la realizzazione della creazione di questi materiali. In particolare, gli scienziati possono ora produrre una schiera sbalorditiva sia di morbido che le particelle nanoscopic dure e diventare altamente si adattano ad adattare la chimica di superficie di queste particelle.

Sotto, descriviamo due studi di calcolo recenti sulla progettazione dei materiali autorigeneranti che sfruttano i beni unici delle particelle nanoscopic. Come notiamo sotto, entrambi questi studi catturano la loro inspirazione dai sistemi biologici.

In uno studio recente che comprende le nanoparticelle morbide, 10 abbiamo messo a fuoco sulle particelle nanoscopic del gel del polimero, o “sui nanogels„11 come le particelle elementari primarie nel nostro sistema. Le Nuove metodologie recentemente hanno permesso alla sintesi controllata ben di tali colloidi.12 Ancora, la superficie di queste particelle può essere functionalized con i vari gruppi reattivi, che permettono che le diverse particelle del nanogel siano unite con legami atomici incrociati in un materiale macroscopico.11 Facendo Uso di un modello di calcolo a grana grossa, abbiamo esaminato i sistemi di tali uniti con legami atomici incrociati, le particelle molli del nanogel ed abbiamo progettato un rivestimento che subisce la riorganizzazione strutturale in risposta allo sforzo meccanico e quindi impediamo l'errore catastrofico del materiale.10

Abbiamo supposto che le particelle sono connesse via una frazione delle obbligazioni labili (per esempio, tiolo, bisolfuro o legami idrogeni).3Le particelle egualmente sono collegate dalle più forti, obbligazioni meno reattive (per esempio, CC, dalle obbligazioni), a che ci riferiamo mentre le obbligazioni “permanenti„ e così, il sistema esibisce un cosiddetto “inter-collegamento doppio„.

All'interno di questo sistema, la stalla, obbligazioni “permanenti„ fra i nanogels svolge un ruolo essenziale comunicando l'integrità strutturale. È le obbligazioni reattive e labili, tuttavia, che migliorano la concentrazione del materiale. In particolare, quando il materiale è sforzato, le obbligazioni labili si rompono prima di più forti connessioni; queste obbligazioni rotte permettono che le particelle franino e facciano scorrere, che entr inare contatto con i nuovi vicini e che fanno le nuove connessioni che mantengono la continuità della pellicola.

In questo modo, le obbligazioni labili pospongono l'errore catastrofico e quindi, comunichi i beni autorigeneranti al materiale. Con le simulazioni su elaboratore, abbiamo isolato l'intervallo di parametro per l'ottimizzazione del questo comportamento autorigenerante. Infatti, abbiamo trovato che appena una frazione di volume relativamente piccola delle obbligazioni labili all'interno del materiale può aumentare drammaticamente la capacità della rete di resistere all'errore catastrofico.10

Il comportamento di cui sopra è concettualmente analogo ai beni che contribuiscono alla concentrazione della madreperla dell'aliotide, in cui i livelli inorganici friabili sono collegati da un livello di polimeri uniti con legami atomici incrociati.13 Nell'ambito di una deformazione di tensione, i collegamenti o “le obbligazioni sacrificali„ trasversali deboli sono i primi da rompersi. Queste rotture dissipano l'energia e quindi attenuano gli effetti della deformazione meccanica. Di Conseguenza, la rottura di queste guide sacrificali delle obbligazioni mantiene l'integrità strutturale del materiale.

In un altro studio recente, 14 egualmente abbiamo catturato la nostra inspirazione dalla funzionalità dei leucociti biologici, che localizzano ad una ferita e quindi facilitano il processo di riparazione. Nel nostro sistema sintetico, “il leucocita„ è una microcapsula polimerica, gli agenti curativi sono nanoparticelle solide incapsulate e “la ferita„ è una crepa microscopica su una superficie. Nella simulazione, delle le microcapsule ripiene di nanoparticella sono guidate tramite una quantità di fluido imposta per muoversi lungo il substrato incrinato (vedi la Fig. 1).

Le simulazioni hanno rivelato che queste capsule possono consegnare le nanoparticelle incapsulate ai siti specifici sul substrato, efficacemente generante un itinerario alternato a riparare i difetti superficiali. Una Volta Che le nanoparticelle curative fossero depositate sui siti desiderati, dalle le capsule guidate da fluida potrebbero muoversi più ulteriormente lungo la superficie e per questo motivo, la strategia è stata definita “riparazione-e-va„. La strategia posteriore potrebbe essere particolarmente vantaggiosa poiché avrebbe avuta impatto trascurabile sulla precisione delle regioni non difettose e comprende gli importi minimi dei materiali della riparazione.

Figure1. Output Grafico dalla simulazione che mostra dal il moto guidato da fluida di una capsula su una superficie nociva; aumenti di tempo che vanno da sinistra a destra. Le immagini descrivono il movimento della capsula dalla sua posizione iniziale (cima) all'interno della crepa (media) e della sua ri-emergenza sulla parte intatta della superficie (fondo). Il gray ha protetto le aree traccia il substrato ed i punti blu corrispondono alle nanoparticelle. Le frecce Rosse indicano la direzione del flusso di tosatura imposto.

È considerevole che le capsule micron di taglia riempite di particelle dissolte possono comprendere i carichi utili molto alti, permettendoli di portare e consegnare rapido un gran numero di nanoparticelle ad una posizione desiderata. Ancora, dal il moto continuato e guidato da flusso di questi micro-portafili potenzialmente permette che le regioni nocive multiplo siano guarite dalle capsule.

Oltre alle crepe di superficie curative, delle le microcapsule ripiene di nanoparticella hanno potuto fornire gli efficaci mezzi di valutazione dell'integrità della superficie. Dalle le microcapsule guidate da fluida continuerebbero a muoversi lungo “un sano„, sistema intatto, ma stato intrappolato o localizzato ad un sito nocivo e quindi, consegni “un indicatore„ chimico visibile, quali le nanoparticelle fluorescenti. Tali indicatori permetterebbero ad uno a non-distruttiv'individuano e tengono la carreggiata le regioni nocive.

Gli esempi di cui sopra indicano come i concetti da biologia possono essere utilizzati per progettare i sistemi sintetici che si adattano allo sforzo meccanico nei modi utili. Comprendendo tali meccanismi biomimetic nel montaggio delle componenti, una può estendere il sostentamento economico del sistema. Quindi, questi nuovi concetti di progetto possono infine risultare essere economicamente vantaggiosi.


Riferimenti

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Copyright AZoNano.com, il Professor Anna Christina Balazs (Università di Pittsburgh)

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

Last Update: 14. June 2013 04:16

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