Estratégias de Projecto de Biomimetic para Curar no Nanoscale

pelo Professor Anna Balazs

Professor Anna Christina Balazs, Instituto de McGowan para a Medicina Regenerativa, Universidade de Pittsburgh
Autor Correspondente: balazs@pitt.edu

A capacidade para curar feridas é uma das propriedades verdadeiramente notáveis de sistemas biológicos. Um desafio grande na ciência de materiais é projectar os sistemas sintéticos “espertos” que podem imitar este comportamento não somente “detectando” a presença de uma “ferida” ou de defeito, mas igualmente activamente o restabelecimento da continuidade e da integridade da área danificada. Tais materiais estenderiam significativamente a vida e o serviço público de uma disposição vasta de itens manufacturados.

A Nanotecnologia é particularmente relevante ao serviço público e à fabricação de materiais auto-curas. Por exemplo, como os dispositivos alcançam dimensões do nanoscale, torna-se crítico estabelecer meios do reparo da promoção nestas escalas do comprimento. Operar e dirigir ferramentas minúsculas realizar esta operação são ainda longe de trivial. Uma solução óptima seria projectar um sistema que poderia reconhecer a aparência de uma rachadura nanoscopic ou a fender e então poderia dirigir agentes do reparo especificamente a esse local.

Mesmo na fabricação de vários componentes macroscópicos, dano do nanoscale é um assunto crítico. Por exemplo, os entalhes e os riscos nanoscopic podem aparecer na superfície dos materiais durante o processo de manufactura. Devido ao tamanho pequeno destes defeitos, são difíceis de detectar e conseqüentemente, difícil reparar.

Tais defeitos, contudo, podem ter um efeito substancial nas propriedades mecânicas do sistema. Por exemplo, as concentrações de esforço significativas podem ocorrer na ponta dos entalhes na superfície; tais regiões de esforço alto podem finalmente conduzir à propagação das rachaduras através do sistema e à degradação do comportamento mecânico.

Assim, uma das forças motrizes para criar materiais auto-curas1-9 é de facto a necessidade de afectar o reparo no nanoscale. No lado positivo, os avanços na nanotecnologia podiam igualmente fornecer rotas para realizar a criação destes materiais. Em particular, os cientistas podem agora produzir uma disposição impressionante de macio e as partículas nanoscopic duras e para ter-se tornado adaptam-se altamente em costurar a química de superfície destas partículas.

Abaixo, nós descrevemos dois estudos computacionais recentes em projetar os materiais auto-curas que exploram as propriedades originais de partículas nanoscopic. Como nós notamos abaixo, ambos estes estudos tomam sua inspiração dos sistemas biológicos.

Em um estudo recente que envolve nanoparticles macios, 10 nós centramo-nos sobre partículas nanoscopic do gel do polímero, ou “nanogels”11 como os blocos de apartamentos preliminares em nosso sistema. As metodologias Novas têm permitido recentemente a síntese bem-controlada de tais colóides.12 Além Disso, a superfície destas partículas pode ser functionalized com vários grupos reactivos, que permitem que as partículas individuais do nanogel sejam ligadas em um material macroscópico.11 Usando um modelo computacional grosseiro-grained, nós examinamos os sistemas de tais ligados, partículas macias do nanogel e projectamos um revestimento que se submetesse ao rearranjo estrutural em resposta ao esforço mecânico, e impedimos desse modo a falha catastrófica do material.10

Nós supor que as partículas estão conectadas através de uma fracção de ligações labile (ligações por exemplo, do tiolato, do bissulfeto ou de hidrogênio).3As partículas são interconectadas igualmente por umas ligações mais fortes, menos reactivas (por exemplo, CENTÍMETRO CÚBICO, por umas ligações), que nós referimos enquanto o “permanent” se liga, e assim, as exibições do sistema “um cruz-ligamento duplo assim chamado”.

Dentro deste sistema, o estábulo, “permanent” liga entre o jogo dos nanogels um papel essencial dando a integridade estrutural. É as ligações reactivas, labile, contudo, que melhoram a força do material. Em particular, quando o material é esticado, as ligações labile quebram antes das conexões mais fortes; estas ligações quebradas permitem que as partículas deslizem e deslizem, entram o contacto com vizinhos novos e fazem as conexões novas que mantêm a continuidade do filme.

Desse modo, as ligações labile adiam a falha catastrófica e desse modo, dê propriedades auto-curas ao material. Com as simulações computorizadas, nós isolamos a escala do parâmetro para aperfeiçoar este comportamento auto-cura. De facto, nós encontramos que apenas uma fracção de volume relativamente pequena de ligações labile dentro do material pode dramàtica aumentar a capacidade da rede para resistir a falha catastrófica.10

O comportamento acima é conceptual análogo às propriedades que contribuem à força do nácar do escudo do olmo, onde as camadas inorgánicas frágeis são interconectadas por uma camada de polímeros ligados.13 Sob uma deformação elástica, as relações ou “as ligações sacrificiais transversais fracas” são as primeiras a quebrar. Estas rupturas dissipam a energia e abrandam desse modo os efeitos da deformação mecânica. Conseqüentemente, a ruptura destas ajudas sacrificiais das ligações mantem a integridade estrutural do material.

Em um outro estudo recente, 14 nós igualmente tomamos nossa inspiração da funcionalidade das leucócito biológicas, que localizam em uma ferida e facilitam desse modo o processo do reparo. Em nosso sistema sintético, a “leucócito” é um microcapsule polimérico, os agentes curas são nanoparticles contínuos encapsulados e a “ferida” é uma rachadura microscópica em uma superfície. Na simulação, os microcapsules nanoparticle-enchidos são conduzidos por um fluxo fluido impor para mover-se ao longo da carcaça rachada (veja Fig. 1).

As simulações revelaram que estas cápsulas podem entregar os nanoparticles encapsulados aos locais específicos na carcaça, gerando eficazmente uma rota alternativa a reparar os defeitos de superfície. Uma Vez Que os nanoparticles curas foram depositados nos locais desejados, as cápsulas fluido-conduzidas poderiam mover-se mais ao longo da superfície e por este motivo, a estratégia foi denominada “reparo-e-vai”. A última estratégia poderia ser particularmente vantajosa desde que teria o impacto insignificante na precisão das regiões não-defeituosas e envolve quantidades mínimas dos materiais do reparo.

Figure1. Saída Gráfica da simulação que mostra o movimento fluido-conduzido de uma cápsula em uma superfície danificada; aumentos do tempo que vão da esquerda para a direita. As imagens descrevem o movimento da cápsula de sua posição inicial (parte superior) ao interior da rachadura (média) e de sua re-emergência na parcela não danificada da superfície (parte inferior). O cinza protegeu áreas marca a carcaça e os pontos azuis correspondem aos nanoparticles. As setas Vermelhas indicam o sentido do fluxo de tesoura impor.

É notável que as cápsulas mícron-feitas sob medida enchidas com as partículas dissolvidas podem abranger cargas úteis muito altas, permitindo que ràpida levem e entreguem grandes quantidades de nanoparticles a um lugar desejado. Além Disso, o movimento continuado, fluxo-conduzido destes micro-portadores permite potencial que as regiões danificadas múltiplo sejam curadas pelas cápsulas.

Além do que rachaduras de superfície curas, os microcapsules nanoparticle-enchidos podiam fornecer meios eficazes de avaliar a integridade da superfície. Os microcapsules fluido-conduzidos continuariam a mover-se ao longo de um “saudável”, sistema não danificado, mas tornado prendido ou localizado em um local danificado e desse modo, entregue um “marcador químico visível”, como nanoparticles fluorescentes. Tais marcadores permitiriam um de encontrar e seguir non-destructively as regiões danificadas.

Os exemplos acima indicam como os conceitos da biologia podem ser utilizados para projectar os sistemas sintéticos que se adaptam ao esforço mecânico em maneiras benéficas. Incorporando tais mecanismos biomimetic na fabricação dos componentes, um pode estender a sustentabilidade do sistema. Assim, estes conceitos de projecto novos podem finalmente provar ser economicamente vantajosos.


Referências

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14. Kolmakov, G.V., Revanur, R., Tangirala, R., Emrick, T., Russell, T.P., Crosby, A.J., e Balazs, A.B., Usando microcapsules nanoparticle-enchidos para a cura local-específica de carcaças danificadas: criar “reparo-e-vai” sistema”, ACS 2010 Nano, 4, 1115-1123.

Copyright AZoNano.com, Professor Anna Christina Balazs (Universidade de Pittsburgh)

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

Last Update: 14. June 2013 04:37

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