Nanoscale에 치유를 위한 Biomimetic 설계 전략

교수에 의하여 애나 Balazs

애나 Christina Balazs 의 재생하는 약, 피츠버그의 대학을 위한 McGowan 학회 교수
대응 저자: balazs@pitt.edu

부상을 치유하는 기능은 생물 체계의 확실하게 현저한 속성의 한개입니다. 재료 과학에 있는 웅대한 도전은 뿐만 아니라 "부상" 결점 "의 존재를 느껴서" 이 행동을 흉내낼 수 있는 "지능적인" 합성 시스템, 또한 액티브하게 손상을 입힌 지역의 계속성 그리고 보전성 재형성하기 디자인하기 위한 것입니다. 그 같은 물자는 중요하게 제조 품목의 광대한 소집의 일생 그리고 공용품을 확장할 것입니다.

나노 과학은 자기 회복 물자의 공용품 그리고 제작에 둘 다 특히 관련됩니다. 예를 들면, 장치가 nanoscale 차원을 도달하는 때, 이 길이 가늠자에 승진시키는 수선의 방법을 설치하는 것이 중요하게 됩니다. 작은 공구를 작전하고 이 작동을 실행하는 지시하는 것은 하찮은에서 멀리 아직도 입니다. 최적 솔루션은 nanoscopic 균열의 외관을 인식하고 또는 균열할 수 있던 시스템을 디자인하기 위한 것이고 그 사이트에 그 때 수선의 에이전트를 특히 지시할 수 있었습니다.

각종 거시적인 분대의 제조에서 조차, nanoscale 손상은 중요한 문제점입니다. 예를 들면, nanoscopic 노치 및 찰상은 제조공정 도중 물자의 표면에 나타날 수 있습니다. 이 결점의 소형 때문에, 그(것)들은 검출하기 어렵습니다 그 결과로, 고치게 어려운.

그 같은 결점에는, 그러나, 시스템의 기계적 성질에 대한 상당한 효력이 있을 수 있습니다. 예를 들면, 중요한 응력 집중은 표면에 있는 노치의 끝에 생길 수 있습니다; 높은 긴장의 그 같은 지구는 시스템을 통해서 균열의 번식으로 및 기계적인 행동의 강직 궁극적으로 이끌어 낼 수 있습니다.

따라서, 자기 회복 물자를 만들기를 위한 원동력의 한개는1-9 실제로 nanoscale에 수선에 영향을 미치는 필요 입니다. 긍정적인 측에, 나노 과학에 있는 어드밴스는 또한 이 물자의 작성 실현을 경로를 제공할 수 있었습니다. 특히, 과학자는 지금 연약하기도 하고의 근사한 소집을 생성할 수 있습니다 단단한 nanoscopic 입자는 이 입자의 지상 화학을 맞추기에 되기 위하여 높게 적응시킵니다.

아래에, 우리는 nanoscopic 입자의 유일한 속성을 이용하는 자기 회복 물자 디자인에 2개의 최근 컴퓨터 연구 결과를 기술합니다. 우리가 아래에 주의한 대로, 양쪽 연구 결과는 생물 체계에서 그들의 감흥을 취합니다.

연약한 nanoparticles를 관련시키는 최근 연구 결과에서는, 10 우리는 nanoscopic 중합체 젤 입자, 또는 우리의 시스템에 있는 1 차적인11 빌딩 블록으로 "nanogels에" 집중했습니다. 새로운 방법론은 최근에 그 같은 교질의 잘 통제되는 종합을 가능하게 했습니다.12 게다가, 이 입자의 표면은 개별적인 nanogel 입자가 거시적인 물자로 교차 결합되는 것을 허용하는 각종 민감하는 단으로 functionalized 할 수 있습니다.11 결이 거친 컴퓨터 모형을 사용하여, 우리는 교차 결합된 그 같은의 시스템, 연약한 nanogel 입자를 검토하고 기계적인 긴장에 응하여 구조상 재배열을 겪는 코팅을 디자인하고, 그로 인하여 물자의 돌발 고장을 방지합니다.10

우리는 입자가 일부 불안정한 유대 (예를들면, 티올, 아황산 또는 수소 결합)를 통해 연결된다고 추정했습니다.3입자는 또한 더 강한, 보다 적게 민감하는 유대 (예를들면, C-C, 유대)에 의해 "영구 불변"가 접착시키는 때, 우리가 참조하는, 및 이렇게, 시스템 전시회 소위 "이중 십자가 연결" 상호 연락합니다.

이 시스템 안에, 안정은 nanogels 실행 사이에서 구조상 보전성을 나누어 주어서, "영구 불변" 필수적인 역할을 접착시킵니다. 물자의 병력을 향상하는 민감하는, 불안정한 유대, 그러나입니다. 물자가 지치 때 특히, 불안정한 유대는 더 강한 연결의 앞에 끊습니다; 이 부서지는 유대는 입자가 미끄러지고 미끄러지는 것을 허용하고, 새로운 이웃사람과의 접촉을 오고 필름의 계속성을 유지하는 새로운 연결합니다.

이런 방식으로, 불안정한 유대는 돌발 고장을 연기하고 그로 인하여, 물자에 자기 회복 속성을 나누어 주십시오. 컴퓨터 모의 실험을 통해, 우리는 이 자기 회복 행동 낙관을 위한 매개변수 범위를 고립시켰습니다. 실제로, 우리는 돌발 고장을 저항하는 물자 내의 불안정한 유대의 다만 상대적으로 작은 부피율이 극적으로 통신망의 기능을 증가할 수 있다는 것을 것을을 발견했습니다.10

위 행동은 과민한 무기 층이 교차 결합된 중합체의 층에 의해 상호 연락하는, 전복 쉘 nacre의 병력에 기여하는 속성와 개념적으로 비슷합니다.13 장력 개악의 밑에, 약한 교차하는 링크 또는 "희생적인 유대"는 끊을 것이다 첫번째 입니다. 이 파열은 에너지를 낭비하고 그로 인하여 기계적인 개악의 효력을 감소합니다. 따라서, 이 희생적인 유대 도움의 파손은 물자의 구조상 보전성을 유지합니다.

다른 최근 연구 결과에서는, 14 우리는 또한 부상에 지방화하고 그로 인하여 수선 프로세스를 촉진하는 생물학 백혈구의 기능에서 우리의 감흥을 취했습니다. 우리의 합성 시스템에서는, "백혈구"는 중합 미소 캡슐입니다, 치료 에이전트는 캡슐에 넣어진 단단한 nanoparticles이고 "부상"는 표면에 현미경 균열입니다. 시뮬레이션에서는, nanoparticle 채워진 미소 캡슐은 부과된 유체 흐름에 의해 깨지는 기질에 따라서 움직이기 위하여 몹니다 (FIG. 1)를 보십시오.

시뮬레이션은 이 캡슐이 효과적으로 지상 결점을 고치는에 교체 수단을 생성하는 기질에 특정 사이트에 캡슐에 넣어진 nanoparticles를, 전달할 수 있다는 것을 제시했습니다. 일단 치료 nanoparticles가 요구된 사이트에 예금되면, 유동성 몬 캡슐은 표면 더에 따라서 움직일 수 있고 이런 이유로, 전략은 "수선 및 갑니다" 불렸습니다. 후반 전략은 비 불완전한 지구의 정밀도에 대한 사소한 충격이 있고기 수선 물자 최소 양을 관련시키기 때문에 특히 유리할 수 있었습니다.

Figure1. 손상을 입힌 표면에 캡슐의 유동성 몬 움직임을 보여주는 시뮬레이션에서 그래픽 산출; 좌에서 우로 가는 시간 증가. 심상은 (중간) 균열 및 표면 (바닥)의 피해가 없는 부분에 그것의 재출현의 내부에 그것의 처음 위치 (상단)에서 캡슐의 운동을 묘사합니다. 회색에 의하여 지역을 표를 합니다 기질이 차광하고 파란 점은 nanoparticles에 대응합니다. 빨간 화살은 부과한 전단 흐름의 방향을 표시합니다.

주목할 만하, 녹은 입자로 채워진 미크론 치수가 재진 캡슐이 아주 높은 탑재량을 포위할 수 있다 급속하게 요구한 위치에 다량의 nanoparticles를 전송하고 전달하는 주. 게다가, 이 마이크로 운반대의 계속, 교류 몬 움직임은 잠재적으로 배수에 의하여 손상을 입힌 지구가 캡슐에 의해 치유되는 것을 허용합니다.

치료 지상 균열 이외에, nanoparticle 채워진 미소 캡슐은 표면의 보전성 평가의 효과적인 방법을 제공할 수 있었습니다. 유동성 몬 미소 캡슐은, 피해가 없는 시스템 "건강할 것이 것에 따라서" 움직이는 것을 계속할 것이나, 손상한 사이트에 덫을 놓거나 지방화해 되는 및 그로 인하여, 형광성 nanoparticles와 같은 눈에 보이는 화학 "마커"를 투발하십시오. 그 같은 마커는 1개를 non-destructively 손상을 입힌 지구를 찾아내고 추적하는 가능하게 할 것입니다.

위 보기는 유리한 쪽에 있는 기계적인 긴장에 적응시키는 합성 시스템을 디자인하기 위하여 생물학에서 개념이 어떻게 이용될 수 있는지 표시합니다. 분대의 제작으로 그 같은 biomimetic 기계장치를 통합해서, 사람은 시스템의 지속 가능성을 확장할 수 있습니다. 따라서, 이 새로운 설계 개념은 궁극적으로 경제적으로 유리하 증명할 수 있습니다.


참고

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, 저작권 AZoNano.com 애나 Christina Balazs (피츠버그의 대학) 교수

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

Last Update: 14. June 2013 04:23

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