There is 1 related live offer.

Save 25% on magneTherm

De Strategieën van het Ontwerp van Biomimetic om in Nanoscale Te Helen

door Professor Anna Balazs

Professor Anna Christina Balazs, Instituut McGowan voor Regeneratieve Geneeskunde, Universiteit van Pittsburgh
Overeenkomstige auteur: balazs@pitt.edu

De capaciteit om wonden te helen is één van de echt opmerkelijke eigenschappen van biologische systemen. Een grote uitdaging in materialenwetenschap is „slimme“ synthetische systemen te ontwerpen die dit gedrag kunnen nabootsen door niet alleen de aanwezigheid van een „wond“ of tekort „te ontdekken“, maar ook actief de continuïteit en de integriteit van het beschadigde gebied opnieuw te vestigen. Dergelijke materialen zouden beduidend het leven en het nut van een enorme serie van vervaardigde punten uitbreiden.

De Nanotechnologie is bijzonder relevant voor zowel het nut als vervaardiging van self-healing materialen. Bijvoorbeeld, aangezien de apparaten nanoscale afmetingen bereiken, wordt het kritiek om middelen te vestigen om reparatie bij deze lengteschalen te bevorderen. Het In Werking Stellen van en het opdracht geven van aan minieme hulpmiddelen om deze verrichting uit te voeren zijn nog verre van onbelangrijk. Een optimale oplossing zou zijn een systeem te ontwerpen dat de verschijning van een nanoscopic barst of een spleet kon erkennen en toen agenten van reparatie aan die plaats kon specifiek leiden.

Zelfs in de vervaardiging van diverse macroscopische componenten, nanoscale is de schade een kritieke kwestie. Bijvoorbeeld, kunnen de nanoscopic inkepingen en de krassen op de oppervlakte van materialen tijdens het productieproces verschijnen. Wegens de kleine grootte van deze tekorten, zijn zij moeilijk te ontdekken en bijgevolg, moeilijk te herstellen.

Dergelijke tekorten, echter, kunnen een wezenlijk effect op de mechanische eigenschappen van het systeem hebben. Bijvoorbeeld, kunnen de significante spanningsconcentraties bij het uiteinde van inkepingen in de oppervlakte voorkomen; dergelijke gebieden van hoge spanning kunnen uiteindelijk tot de propagatie van barsten door het systeem leiden en de degradatie van mechanisch gedrag.

Aldus, is één van de drijfkrachten voor het creëren van self-healing1-9 materialen in feite de behoefte om reparatie op nanoscale te beïnvloeden. positief gezien, kon de vooruitgang in nanotechnologie routes voor het realiseren van de verwezenlijking van deze materialen ook verstrekken. In het bijzonder, kunnen de wetenschappers geworden zijn een overweldigende serie van zowel zachte als harde nanoscopic deeltjes nu veroorzaken en hoogst aanpassen bij het maken van de oppervlaktechemie van deze deeltjes.

Hieronder, beschrijven wij twee recente computerstudies bij het ontwerpen van self-healing materialen die de unieke eigenschappen van nanoscopic deeltjes exploiteren. Zoals wij hieronder van nota nemen, nemen beide studies hun inspiratie van biologische systemen.

In een recente studie die zachte nanoparticles impliceert, 10 concentreerden wij ons op de nanoscopic deeltjes van het polymeergel, of „nanogels“11 als primaire bouwstenen in ons systeem. De Nieuwe methodologieën hebben onlangs de goed-gecontroleerde synthese van dergelijke colloïden toegelaten.12 Voorts kan de oppervlakte van deze deeltjes zijn functionalized met diverse reactieve groepen, die de individuele nanogeldeeltjes toelaten cross-linked in een macroscopisch materiaal.11 Gebruikend een grofkorrelig computermodel, onderzochten wij systemen van dergelijke cross-linked, zachte nanogeldeeltjes en ontwierpen een deklaag die structurele herschikking in antwoord op mechanische spanning, ondergaat en daardoor de catastrofale mislukking van het materiaal verhindert.10

Wij veronderstelden dat de deeltjes via een fractie labiele banden worden verbonden (b.v., thiol, bisulfide of waterstofbanden).3De deeltjes worden ook onderling verbonden door sterkere, minder reactieve banden (b.v., CC, banden), wij waarnaar als „permanente“ banden verwijzen, en zo, het systeem tentoonstelt het zogenaamde „dubbele cross-linking“.

Binnen dit systeem, stabiel, de „permanente“ banden tussen nanogels spelen een essentiële rol door structurele integriteit te verlenen. Het is de reactieve, labiele banden, echter, die de sterkte van het materiaal verbeteren. In het bijzonder, wanneer het materiaal wordt gespannen, breken de labiele banden vóór de sterkere aanslutingen; deze gebroken banden staan de deeltjes toe om uit te glijden en te glijden, komen in contact met nieuwe buren en maken nieuwe aanslutingen die de continuïteit van de film handhaven.

Op deze wijze, stellen de labiele banden catastrofale mislukking uit en daardoor, verleen self-healing eigenschappen aan het materiaal. Door de computersimulaties, isoleerden wij de parameterwaaier voor het optimaliseren van dit self-healing gedrag. In feite, vonden wij dat enkel een vrij kleine volumefractie labiele banden binnen het materiaal de capaciteit van het netwerk kan dramatisch verhogen om zich tegen catastrofale mislukking te verzetten.10

Het bovengenoemde gedrag is conceptueel analoog aan de eigenschappen die tot de sterkte van het abalone shell paarlemoer bijdragen, waar de brosse anorganische lagen door een laag cross-linked polymeren onderling worden verbonden.13 Onder een trekmisvorming, zijn de zwakke dwarslinks of de „offerbanden“ de eerste om te breken. Deze breuken verdrijven energie en verlichten daardoor de gevolgen van de mechanische misvorming. Derhalve handhaaft de breuk van deze offerbandenhulp de structurele integriteit van het materiaal.

In een andere recente studie, 14 namen wij ook onze inspiratie van de functionaliteit van biologische witte bloedlichaampjes, die bij een wond lokaliseren en daardoor het reparatieproces vergemakkelijken. In ons synthetisch systeem, is het „witte bloedlichaampje“ een polymere microcapsule, zijn de helende agenten ingekapseld vast lichaam nanoparticles en de „wond“ is een microscopische barst op een oppervlakte. In de simulatie, worden de nanoparticle-gevulde microcapsules gedreven door een opgelegde vloeibare stroom zich langs het gebarsten substraat (zie Fig. 1) te bewegen.

De simulaties openbaarden dat deze capsules ingekapseld nanoparticles aan specifieke plaatsen op het substraat kunnen leveren, effectief producerend een afwisselende route aan het herstellen van oppervlaktetekorten. Zodra het helen nanoparticles op de gewenste plaatsen werd gedeponeerd, konden zich de vloeibaar-gedreven capsules verder langs de oppervlakte bewegen en om deze reden, werd de strategie genoemd „reparatie-en-gaat“. De laatstgenoemde strategie zou bijzonder voordelig kunnen zijn aangezien het te verwaarlozen invloed op de precisie van de niet gebrekkige gebieden zou hebben en minimale hoeveelheden reparatiematerialen impliceert.

Figure1. Grafische output van de simulatie die de vloeibaar-gedreven motie van een capsule op een beschadigde oppervlakte toont; tijdverhogingen die van links naar rechts gaan. De beelden schilderen de beweging van de capsule van zijn aanvankelijke positie (bovenkant) aan het binnenland van de barst (midden) en het zijn opnieuw verschijnen op het onbeschadigde gedeelte van de oppervlakte (bodem) af. De grijze in de schaduw gestelde gebieden merken het substraat en de blauwe punten beantwoorden aan nanoparticles. De Rode pijlen wijzen op de richting van de opgelegde scheerbeurtstroom.

Het is opmerkelijk dat de micron-gerangschikte die capsules met opgeloste deeltjes worden gevuld zeer hoge nuttige lading kunnen omringen, toestaand hen om hopen snel te dragen en te leveren nanoparticles aan een gewenste plaats. Voorts laat de voortdurende, stroom-gedreven motie van deze micro-carriers potentieel veelvoudige beschadigde gebieden toe om door de capsules worden geheeld.

Naast het helen van oppervlaktebarsten, konden de nanoparticle-gevulde microcapsules een efficiënt middel verstrekken om de integriteit van de oppervlakte te beoordelen. De vloeibaar-gedreven microcapsules zouden zich langs een „gezond“, onbeschadigd systeem blijven bewegen, maar geworden opgesloten of gelokaliseerd bij een beschadigde plaats en daardoor, een zichtbare chemische „teller“, zoals fluorescente nanoparticles leveren. Dergelijke tellers zouden men toelaten om van de beschadigde gebieden niet-destructief de plaats te bepalen en te volgen.

De bovengenoemde voorbeelden wijzen erop hoe de concepten van biologie kunnen worden gebruikt om synthetische systemen te ontwerpen die aan mechanische spanning op voordelige manieren aanpassen. Door dergelijke biomimetic mechanismen in de vervaardiging van componenten op te nemen, kan men de duurzaamheid van het systeem uitbreiden. Aldus, kunnen deze nieuwe ontwerpconcepten uiteindelijk economisch voordelig blijken te zijn.


Verwijzingen

1. Caruso, M.M., Davis, D.A., Shen, Q., Odom, S.A., Sottos, N.R., Wit, S.R., en Moore, J.S., mechanisch-Veroorzaakte chemische veranderingen in polymere materialen, Toer 2009, 109, 5755-5798 van Chem.
2. Chen, X., Dam, M.A., Ono, K., Mal, A, Shen, H, Nutt, S.R., Sheran, K., en Wudl, F.A., Thermaal re-mendable cross-linked polymeer materiaal, Wetenschap 2002, 295, 1698-1702.
3. Cordier, P., Tournilhac, F., soulie-Ziakovic, C., en Leibler, L., Self-healing en thermoreversible rubber van supramolecular assemblage, Aard 2008, 451, 977-980.
4. Amendola, V., en Meneghetti, M, Self-healing bij nanoscale, Nanoscale 2009, 1, 74 - 88.
5. Trask, R.S., Williams, H.R., en Band, I P., Self-healing polymeersamenstellingen: het nabootsen aard om prestaties, Bioinsp te verbeteren. Biomim. 2007, 2, P1- P9.
6. Balazs, A.C., self-healing materialen van de Modellering, Materialen Vandaag 2007, 10, 18 - 23.
7. Wol, R.A., Self-healing materialen: een overzicht, Zachte Kwestie 2008, 4, 400-418.
8. Wu, D.Y., Meure, S, en Solomon, D., Self-healing polymere materialen: een overzicht van recente ontwikkelingen, Vooruitgang in de Wetenschap 2008, 33, 479 - 522 van het Polymeer.
9. Hickenboth, C. dat R. et al, reactiewegen met mechanische kracht, Aard 2007, 446, 423 - 427 Beïnvloedt.
10. Kolmakov, G.V., Matyjaszewski, K., en Balazs, A.C., „Uitrustend labiele banden tussen nanogeldeeltjes om self-healing materialen“ te creëren, ACS Nano 2009, 3, 885-892.
11. Min, K., en Matyjaszewski, K., atoom-Overdracht radicale polymerisatie in microemulsion, Macromoleculen 2005, 38, 8131 - 8134.
12. Min, K., Gao, H., en Matyjaszewski, K., Ontwikkeling van een ab initio radicale polymerisatie van de emulsieoverdracht: van microemulsion aan emulsie, J. Am. Soc. 2006, 128, 10521 - 10526 van Chem.
13. Smith, B.L., Schaffer, de TE, Viani, M., Thompson, J.B., Frederick, N.A., Kindt, J., Belcher, A., Stucky, G.D., Morse, D.E., en Hansma, P.K., Moleculaire mechanistische oorsprong van de hardheid van natuurlijke kleefstof, vezels en samenstellingen, Aard 1999, 399, 761-763.
14. Kolmakov, G.V., Revanur, R., Tangirala, R., Emrick, T., Russell, T.P., Crosby, A.J., en Balazs, A.B., Gebruikend nanoparticle-gevulde microcapsules voor hetspecifieke helen van beschadigde substraten: creëren „reparatie-en-gaat“ systeem“, ACS Nano 2010, 4, 1115-1123.

Copyright AZoNano.com, Professor Anna Christina Balazs (Universiteit van Pittsburgh)

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

Last Update: 14. June 2013 04:02

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