Nanoscale の治療のための Biomimetic の設計戦略

教授によってアナ Balazs

アナクリスティーナ Balazs の再生薬ピッツバーグの大学のための McGowan の協会教授
対応する著者: balazs@pitt.edu

傷を直す機能は生物系の偽りなく驚くべき特性の 1 つです。 物質科学の壮大な挑戦は 「傷」または欠陥 「の存在を感じるただによって」まねることができるまた実行中に損なわれた領域の継続そして保全を再確立することをこの動作をです 「スマートな」総合的なシステム設計すること。 そのような材料はかなり製造された項目の広大なアレイの寿命そしてユーティリティを拡張します。

ナノテクノロジーは自己回復材料のユーティリティそして製造両方に特に関連しています。 例えば、装置が nanoscale 次元に達すると同時に、これらの長さのスケールに促進修理の方法を確立することは重大になります。 微細なツールを作動させ、この操作を遂行するために指示することはとるに足らないからまだ遠いです。 最適解はシステムを設計すること nanoscopic ひびの出現を認識しか、または亀裂を生じることができる、そのサイトにそれから修理のエージェントをとりわけ指示できます。

さまざまなマクロスコピックコンポーネントの製造に、 nanoscale の損傷は深刻な問題です。 例えば、 nanoscopic ノッチおよびスクラッチは製造工程の間に材料の表面で現われることができます。 従ってこれらの欠陥の小型のために、それらは検出しにくく、修理すること困難。

しかしそのような欠陥はシステムの機械特性に対する相当な効果をもたらすことができます。 例えば、重要な応力集中は表面のノッチの先端に発生できます; 高い圧力のそのような領域はシステムを通ってひびの伝搬のおよび機械動作の劣化最終的に原因となる場合があります。

従って実際は、自己回復材料を作成するための駆動力の1-9 1 つは nanoscale の修理に影響を与える必要性です。 肯定的な側面で、ナノテクノロジーの前進はまたこれらの材料の作成を実現するためにルートを提供できます。 特に、科学者は今柔らかいの思いがけないアレイを作り出すことができ、堅い nanoscopic 粒子はこれらの粒子の表面化学を合わせることでなるために非常に適応し。

次、私達は nanoscopic 粒子の一義的な特性を開発する自己回復材料の設計の 2 つの最近の計算の調査を記述します。 私達が次注意するように、これらの調査は両方とも生物系からのインスピレーションを取ります。

柔らかい nanoparticles を含む最近の調査では10 私達は nanoscopic ポリマーゲルの粒子、か私達のシステムの一次11 ブロックとして 「nanogels に」焦点を合わせました。 新しい方法は最近そのようなコロイドの十分制御の統合を可能にしてしまいました。12 なお、これらの粒子の表面は個々の nanogel の粒子がマクロスコピック材料に架橋結合するようにするさまざまな反応グループと functionalized できます。11 きめの粗い計算モデルを使用して、私達は架橋結合したそのような物のシステム柔らかい nanogel の粒子を検査し、機械圧力に応じて構造語順換えを経る設計し、そしてそれにより材料の破局故障を防ぎますコーティングを。10

私達は粒子がわずか変化しやすい結束 (例えば、チオール、二硫化物または水素結合) によって接続されると仮定しました。3粒子はまたより強い、より少なく反応結束 (例えば、 C-C、結束) によって 「パーマ」が結ぶ、およびこうして、システム展示品いわゆる 「二重交差リンク」相互接続されますと同時に、私達が参照する。

このシステムの中では、馬小屋は nanogels の演劇の間で構造保全を与えることによって、 「パーマ」必要な役割を結びます。 しかし材料の強さを改善するのは反応、変化しやすい結束です。 特に材料が緊張しているとき、変化しやすい結束はより強い接続の前に壊れます; これらの壊れた結束は粒子が入れ、滑るようにし、新しい隣人が付いている接触に入って来、そしてフィルムの継続を維持する新しい接続をします。

こうすれば、変化しやすい結束は破局故障を延期し、それにより、材料に自己回復特性を与えて下さい。 計算機シミュレーションによって、私達はこの自己回復動作を最適化するためのパラメータ範囲を隔離しました。 実際は、私達は破局故障に抵抗する材料内の変化しやすい結束のちょうど比較的小さい体積分率が劇的にネットワークの機能を高めることができることが分りました。10

上記の動作は壊れやすい無機層が架橋結合されたポリマーの層相互接続される、アワビのシェルの nacre の強さに貢献する特性に概念上類似しています。13 抗張変形の下で、弱い十字リンクか 「犠牲的な結束」は壊れるべき第 1 です。 これらの破裂はエネルギーを散らし、それにより機械変形の効果を軽減します。 その結果、これらの犠牲的な結束のヘルプの破損は材料の構造保全を維持します。

別の最近の調査では、14 私達はまた傷に集中し、それにより修理プロセスを促進する生物的白血球の機能性からの私達のインスピレーションを取りました。 私達の総合的なシステムでは、 「白血球」は重合体の microcapsule です、治療のエージェントはカプセル化された固体 nanoparticles であり、 「傷」は表面の顕微鏡のひびです。 シミュレーションでは、 nanoparticle に満ちた microcapsules は課された流量によって割れた基板に沿って移動するために運転されます (図 1) を見て下さい。

シミュレーションはこれらのカプセルが効果的に表面欠陥の修理に迂回経路を生成する基板の特定のサイトにカプセル化された nanoparticles を、提供できることを明らかにしました。 治療の nanoparticles が望ましいサイトで沈殿したら、流動主導のカプセルは表面に沿って更に移動してもよい、このような理由で、作戦は 「修理および行きます」名づけられました。 後の作戦は非不完全な領域の精密の僅かな影響があり、修理材料の最小量を含むので特に有利であることができます。

Figure1. 損なわれた表面のカプセルの流動主導の動きを示すシミュレーションからの写実的な出力; 左から右へ行く時間の増加。 画像はひび (中間) および表面 (底) の無傷の部分に再発の内部への最初の位置 (上) からのカプセルの動きを描写します。 灰色は領域をマークします基板を影で覆い、青ポイントは nanoparticles に対応します。 赤い矢は課されたずれ流動の方向を明記します。

顕著で分解された粒子で満ちているミクロンサイズのカプセルが非常に高いペイロードを取囲むことができることは急速に望ましい位置に多量の nanoparticles を運び、提供するようにそれらがします。 なお、これらのマイクロキャリアの継続的、流れ主導の動きは可能性としては倍数によって損なわれる領域がカプセルによって直されるようにします。

治療の表面のひびに加えて、 nanoparticle に満ちた microcapsules は表面の保全を査定する有効な方法を提供できます。 流動主導の microcapsules は無傷システム 「健全のに沿って」移動し続けますが、傷つけられたサイトに引っ掛けられるか、または集中されるようになるおよびそれにより、蛍光 nanoparticles のような目に見える化学 「マーカー」を、渡して下さい。 そのようなマーカーは非有害に 1 つを見つけ、追跡します損なわれた領域を可能にします。

上の例は有利な方法で機械圧力に適応する総合的なシステムを設計するのに生物学からの概念がどのように利用することができるか明記します。 コンポーネントの製造へのそのような biomimetic メカニズムを組み込むことによって、 1 つはシステムの持続性を拡張できます。 従って、これらの新しい設計思想は最終的に経済的に有利であると証明できます。


参照

1. Caruso、 M.M.、デービス、 D.A.、セン、 Q.、 Odom、 S.A.、 Sottos、 N.R.、白、 S.R.、およびムーア、 J.S. の重合体材料、 Chem の機械誘発の化学変化。 Rev. 2009 年、 109、 5755-5798。
2. 陳、 X.、ダム、 M.A.、 Ono、 K.、マクロアセンブリ言語、 A、セン、 H、 Nutt、 S.R.、 Sheran、 K. および Wudl、 F.A. の熱的に再 mendable 架橋結合された重合体材料、科学 2002 年、 295 1698-1702。
3. supramolecular アセンブリ、性質 2008 年、 451、 977-980 からの Cordier、 P.、 Tournilhac、 F.、 Soulie-Ziakovic、 C. および Leibler、 L. の、自己回復および thermoreversible ゴム。
4. Amendola、 V. および Meneghetti、 nanoscale、 Nanoscale 2009 年、 1、 74 - 88 で自己回復 M。
5. Trask、 R.S.、ウィリアムス、 H.R.、および結束、 I P. の自己回復ポリマー合成物: 性質をパフォーマンスを高めるためにまねること Bioinsp。 Biomim。 2007 年、 2、 P1- P9。
6. Balazs、自己回復材料を、材料今日模倣する A.C. 2007 年、 10、 18 - 23。
7. ウール、 R.A. の自己回復材料: 検討、柔らかい問題 2008 年、 4、 400-418。
8. ウー、 D.Y.、 Meure、 S および Solomon、 D. の自己回復重合体材料: 最近の進展の検討、ポリマー科学 2008 年、 33、 479 - 522 の進歩。
9. 機械力との反作用パスに、性質 2007 年偏る、 Hickenboth、等 C.R. 446、 423 - 427。
10. Kolmakov、 G.V.、 Matyjaszewski、 K. および Balazs、 A.C.、 「自己回復材料」を作成するために nanogel の粒子間の変化しやすい結束を ACS Nano 2009 年、 3、 885-892 利用します。
11. 分、 K. および Matyjaszewski、 K. の microemulsion、高分子の原子転送のラジカル重合 2005 年、 38、 8131 - 8134。
12. 分、 K.、高、 H. および Matyjaszewski、 K. の ab の initio の乳剤の転送のラジカル重合の開発: microemulsion から乳剤への、 J. Am。 Chem。 Soc. 2006 年、 128、 10521 - 10526。
13. スミス、 B.L.、 Schaffer、 T.E.、 Viani、 M.、トムソン、 J.B.、 Frederick、 N.A.、 Kindt、 J.、 Belcher、 A.、 Stucky、 G.D.、モールス、 D.E.、および Hansma、 P.K.、自然な接着剤の靭性の分子機械論的な起源、ファイバーおよび合成物の性質 1999 年、 399、 761-763。
14. Kolmakov、 G.V.、 Revanur、 R.、 Tangirala、 R.、 Emrick、 T.、ラッセル、 T.P。、 Crosby、 A.J.、および Balazs、傷つけられた基板のサイト特定の治療のための nanoparticle に満ちた microcapsules を使用して A.B.、: 「」システム」作成は、 ACS Nano 2010 年、 4 1115-1123 修理および行きます。

、版権 AZoNano.com アナクリスティーナ Balazs (ピッツバーグの大学) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 04:20

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit