There is 1 related live offer.

Save 25% on magneTherm

Стратегии Конструкции Biomimetic для Излечивать на Nanoscale

Профессором Анной Balazs

Профессор Анна Кристина Balazs, Институт McGowan для Регенеративной Медицины, Университета Питтсбурга
Соответствуя автор: balazs@pitt.edu

Способность излечить раны одно из поистине замечательных свойств биологических систем. Грандиозная возможность в науке материалов конструировать «умные» синтетические системы которые могут передразнить это поведение не только «воспринимать» присутсвие «раны» или дефекта, но также активно восстаналивать непрерывность и герметичность поврежденной области. Такие материалы значительно расширили бы продолжительность жизни и общее назначение более обширного блока изготовленных деталей.

Нанотехнология в частности уместна как к общему назначению, так и к изготовлению самолечебных материалов. Например, по мере того как приборы достигают размеры nanoscale, будет критическо установить середины повышая ремонта на этих маштабах длины. Работать и сразу, что мельчайшие инструменты унесли эту деятельность все еще далеко от тривиального. Оптимальное разрешение было бы конструировать систему которая смогла узнать возникновение nanoscopic отказа или fissure и после этого могло бы сразу агенты ремонта специфически к тому месту.

Даже в изготовлении различных макроскопических компонентов, повреждение nanoscale насущная проблема. На пример, nanoscopic зазубрины и скресты могут появиться на поверхность материалов во время процесса производства. Из-за малого размера этих дефектов, они трудны для того чтобы обнаружить и следовательно, трудно для того чтобы отремонтировать.

Такие дефекты, однако, могут иметь существенное влияние на механически свойствах системы. На пример, значительно концентрации напряжений могут произойти на подсказке зазубрин в поверхности; такие зоны высокого усилия могут в конечном счете вести к распространению отказов через систему и ухудшению механически поведения.

Таким Образом, одна из движущих сил для создавать самолечебные материалы1-9 в действительности потребность повлиять на ремонт на nanoscale. На положительной стороне, выдвижения в нанотехнологию смогли также обеспечить трассы для осуществлять творение этих материалов. В частности, научные работники могут теперь произвести сногсшибательный блок и мягкой и трудные nanoscopic частицы и стать сильно приспосабливаются на портняжничать поверхностную химию этих частиц.

Ниже, мы описываем 2 недавних вычислительных изучения на конструировать самолечебные материалы которые эксплуатируют уникально свойства nanoscopic частиц. По Мере Того Как мы замечаем ниже, оба этих изучения принимают их воодушевленность от биологических систем.

В недавнем изучении включая мягкие nanoparticles, 10 мы сфокусировали на nanoscopic частицах геля полимера, или «nanogels»11 как основные строительные блоки в нашей системе. Новые методологии недавно включали хорошо-контролируемый синтез таких коллоидов.12 Furthermore, поверхность этих частиц можно functionalized с различными реактивными группами, которые позволяют индивидуальным частицам nanogel бытьсоединенным в макроскопический материал.11 Используя широкослойную вычислительную модель, мы рассмотрели системы частиц таких крест-соединенных, мягких nanogel и конструировали покрытие которое проходит структурное перераспределение в ответ на механически усилие, и таким образом предотвращаем неожиданный отказ материала.10

Мы предположили частицы соединены через фракция лабильные скрепления (скрепления например, тиола, дисульфида или водопода).3Частицы также соединены более сильными, более менее реактивными скреплениями (например, C-C, скреплениями), который мы называем «перманентность» скрепляет, и таким образом, экспонаты системы так называемое «двойное образование поперечных связей».

Внутри эта система, конюшня, «перманентность» скрепляет между игрой nanogels необходимую роль путем imparting структурная герметичность. Реактивные, лабильные скрепления, однако, которые улучшают прочность материала. В частности, когда материал напряжен, лабильные скрепления ломают перед более сильными соединениями; эти сломленные скрепления позволяют частицам сместить и сползти, придено в контакт с новыми соседями и наладить новые связи которые поддерживают непрерывность фильма.

Таким образом, лабильные скрепления откладывают неожиданный отказ и таким образом, impart самолечебные свойства к материалу. Через имитации компьютера, мы изолировали ряд параметра для оптимизировать это самолечебное поведение. В действительности, мы нашли что как раз относительно малая объемная доля лабильных скреплений внутри материал может драматически увеличить способность сети сопротивлять неожиданному отказу.10

Вышеуказанное поведение схематически аналогично к свойствам которые внести вклад в прочность перламутра раковины галиотиса, где хрупкие неорганические слои соединены слоем крест-соединенных полимеров.13 Под растяжимой деформацией, слабые перекрестные соединения или «жертвенные скрепления» первые, котор нужно сломать. Эти повреждения рассеивают энергию и таким образом mitigate влияния механически деформации. Следовательно, обрыв этой жертвенной помощи скреплений поддерживает структурную герметичность материала.

В другом недавнем изучении, 14 мы также приняли нашу воодушевленность от функциональности биологических лейкоцитов, которые локализуют на ране и таким образом облегчают процесс ремонта. В нашей синтетической системе, «лейкоцит» полимерный microcapsule, заживление агенты помещенные твердые nanoparticles и «рана» микроскопический отказ на поверхности. В имитации, nanoparticle-заполненные microcapsules управляются наведенным потоком жидкости для того чтобы двинуть вдоль треснутого субстрата (см. FIG. 1).

Имитации показали что эти капсулы могут поставить помещенные nanoparticles к специфическим местам на субстрате, эффектно производя запасный маршрут к ремонтировать поверхностные дефекты. Как Только заживление nanoparticles были депозированы на пожеланных местах, жидк-управляемые капсулы смогли двинуть более далее вдоль поверхности и для этой причины, была термин стратегия «ремонт-и-идет». Последняя стратегия смогла быть в частности выгодна в виду того что она имела бы незначительный удар на точности non-неполноценных зон и включает минимальное количество материалов ремонта.

Figure1. Графический выход от имитации показывая жидк-управляемое движение капсулы на поврежденной поверхности; увеличения времени идя от левого к праву. Изображения показывают движение капсулы от своей первоначальной позиции (верхней части) к интерьеру отказа (среднего) и своей re-эмерджентности на неповрежденную часть поверхности (дна). Серые заштрихованные площади маркируют субстрат и голубые пункты соответствуют к nanoparticles. Красные стрелки показывают направление наведенной подачи ножниц.

Достопримечательно что микрон-определенные размер капсулы заполненные с растворенными частицами могут включить очень высокие полезные нагрузки, позволяющ им быстро снести и поставить большое количество nanoparticles к пожеланному положению. Furthermore, продолжаемое, подач-управляемое движение этих микро--несущих потенциально позволяет зонам поврежденным многократной цепью быть излеченным капсулами.

В дополнение к заживление поверхностным отказам, nanoparticle-заполненные microcapsules смогли обеспечить эффективный путь определять герметичность поверхности. Жидк-управляемые microcapsules продолжались бы двинуть вдоль «здоровой», неповрежденная система, но о поглощена или локализована на поврежденном месте и таким образом, поставьте видимую химическую «отметку», как дневные nanoparticles. Такие отметки позволили бы одно non-destructively обнаружить местонахождение и отследить поврежденные зоны.

Вышеуказанные примеры показывают как принципиальные схемы от биологии можно использовать для того чтобы конструировать синтетические системы которые приспосабливаются к механически усилию в полезных путях. Путем включать такие biomimetic механизмы в изготовление компонентов, одно может расширить устойчивость системы. Таким Образом, эти новые идеи проекта могут в конечном счете доказать быть экономично выгодны.


Справки

1. Caruso, M.M., Davis, A.D., Shen, Q., Odom, A.S., Sottos, R.N., Белизна, R.S., и Moore, J.S., Механически-Навели химические изменения в полимерных материалах, Chem. Rev. 2009, 109, 5755-5798.
2. Chen, X., Запруда, A.M., Ono, K., Mal, A, Shen, H, Nutt, R.S., Sheran, K., и Wudl, A.F., Термально re-mendable крест-соединенный полимерный материал, Наука 2002, 295, 1698-1702.
3. Резина Cordier, P., Tournilhac, F., Soulie-Ziakovic, C., и Leibler, L., Самолечебного и thermoreversible от supramolecular агрегата, Природы 2008, 451, 977-980.
4. Amendola, V., и Meneghetti, M, Самолечебный на nanoscale, Nanoscale 2009, 1, 74 до 88.
5. Trask, R.S., Williams, R.H., и Скрепление, P.I, Самолечебные смеси полимера: передразнивать природу для того чтобы увеличить представление, Bioinsp. Biomim. 2007, 2, P1- P9.
6. Balazs, A.C., Моделируя самолечебные материалы, Материалы Сегодня 2007, 10, 18 до 23.
7. Шерсти, A.R., Самолечебные материалы: просмотрение, Мягкое Дело 2008, 4, 400-418.
8. Wu, D.Y., Meure, S, и Solomon, D., Самолечебные полимерные материалы: просмотрение новейших разработок, Прогресс в Науке 2008 Полимера, 33, 479 до 522.
9. Hickenboth, R.C. et al, Склоняя тропа реакции с механически усилием, Природа 2007, 446, 423 до 427.
10. Kolmakov, G.V., Matyjaszewski, K., и Balazs, A.C., «Обуздывающ лабильные скрепления между частицами nanogel для того чтобы создать самолечебные материалы», ACS Nano 2009, 3, 885-892.
11. Минута, K., и Matyjaszewski, K., полимерность Атом-Перехода радикальная в microemulsion, Макромолекулах 2005, 38, 8131 до 8134.
12. Минута, K., Gao, H., и Matyjaszewski, K., Развитие ab initio полимерности перехода эмульсии радикальной: от microemulsion к эмульсии, J. Am. Chem. SOC. 2006, 128, 10521 до 10526.
13. Смит, L.B., Schaffer, T.E., Viani, M., Томпсон, B.J., Фредерик, A.N., Kindt, J., Belcher, A., Stucky, G.D., Morse, D.E., и Hansma, K.P., Молекулярное mechanistic начало твёрдости естественного прилипателя, волокна и смеси, Природа 1999, 399, 761-763.
14. Kolmakov, G.V., Revanur, R., Tangirala, R., Emrick, T., Рассел, T.P., Crosby, J.A., и Balazs, B.A., Используя nanoparticle-заполненные microcapsules для мест-специфический излечивать поврежденных субстратов: создаваться «ремонт-и-идет» система», ACS Nano 2010, 4, 1115-1123.

Авторское Право AZoNano.com, Профессор Анна Кристина Balazs (Университет Питтсбурга)

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

Last Update: 14. June 2013 04:40

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