There is 1 related live offer.

Save 25% on magneTherm

Biomimetic DesignStrategier för att Läka på Nanoscalen

vid Professorn Anna Balazs

Professor Anna Christina Balazs, McGowan Institut för den Regenerative Medicinen, Universitetar av Pittsburgh
Motsvarande författare: balazs@pitt.edu

Kapaciteten att läka sår är en av den riktigt anmärkningsvärda rekvisitan av biologiska system. En storslagen utmaning i materialvetenskap är att planlägga ”ilar” syntetmaterialsystem, som kan efterapa detta uppförande, genom inte endast ”att avkänna” närvaroen av ”ett sår”, eller hoppa av, men också beträffande-upprättande aktivt av kontinuiteten och av fullständigheten av det skadada området. Sådan material som markant skulle, fördjupa livstiden och som är nytto- av en vast samling av tillverkade objekt.

Nanotechnology är bestämt relevant till både det nytto- och fabriceringen av själv-läka material. Till exempel som apparaträckviddnanoscale dimensionerar, blir det kritiskt att upprätta hjälpmedel av att främja reparerar på dessa längdfjäll. Att Fungera och att rikta som är minimalt, bearbetar för att bära ut denna funktion är stilla långtifrån trivialt. En optimal lösning skulle är att planlägga ett system, som kunde känna igen det utseendemässigt av en nanoscopic spricka eller fissure, och därefter kunde rikta medel av reparerar specifikt till den plats.

Även i tillverkningen av olika macroscopic delar, är nanoscaleskada ett kritiskt utfärdar. För anföra som exempel, nanoscopic göra hack i, och skrapor kan visas på ytbehandla av material under det fabriks- bearbetar. På grund av det litet storleksanpassa av dessa hoppar av, dem är svårt att avkänna och därför, svårt att reparera.

Sådan hoppar av, emellertid kan ha en väsentlighet att verkställa på den mekaniska rekvisitan av systemet. För anföra som exempel, viktiga spänningskoncentrationer kan uppstå på spetsen av göra hack i i ytbehandla; sådan regioner av kickspänningen kan ultimately leda till förökningen av sprickor till och med systemet och degraderingen av mekaniskt uppförande.

Således är en av drivkrafterna för att skapa själv-läka1-9 material i faktum behovet att påverka reparerar på nanoscalen. På realitetsidan kunde framflyttningar i nanotechnology också ge ruttar för realisering av skapelsen av dessa material. I synnerhet på burk har blivit forskare nu jordbruksprodukter en bedöva samling av både mjuka och hårda nanoscopic partiklar och anpassar högt på att anpassa ytbehandlakemin av dessa partiklar.

Nedanföra beskriver vi två nya computational studier på att planlägga själv-läka material som exploaterar den unika rekvisitan av nanoscopic partiklar. Som vi noterar nedanfört, tar båda dessa studier deras inspiration från biologiska system.

I en ny studie som gäller mjuka nanoparticles, 10 fokuserade vi på nanoscopic polymergelpartiklar eller ”nanogels”11 som de primära byggande kvarteren i vårt system. Nya methodologies har för en tid sedan möjliggjort denkontrollerade syntesen av sådan colloids.12 Dessutom kan ytbehandla av dessa partiklar functionalizeds med olika reactive grupper, som låter individnanogelpartiklarna arg-anknytas in i ett macroscopic materiellt.11 Genom Att Använda ettgrained computational modellera, undersökte vi system av sådan arg-anknutit, genomgår förhindrar mjuka nanogelpartiklar och planlagt att täcka det den strukturella rearrangementen som svar på mekanisk spänning och därmed det katastrofala felet av det materiellt.10

Vi antog att partiklarna förbinds via en del av labila förbindelser (e.g., thiol-, disulfide- eller väteförbindelser).3Partiklarna interconnecteds också av starkare, mindre reactive förbindelser (e.g., C-C, förbindelser), som vi ser till som ”de permanent” förbindelserna, och thus, ställer ut systemet så-kallat ”dubbelarg-anknyta”.

Inom detta system leker stall, ”permanent” förbindelser mellan nanogelsna en nödvändig roll, genom att ge strukturell fullständighet. Det är de reactive labila förbindelserna, emellertid, som förbättrar styrkan av det materiellt. I synnerhet när det materiellt ansträngas, bryter de labila förbindelserna för de starkare anslutningarna; dessa brutna förbindelser låter partiklarna till snedsteget och glidbanan som komms in i kontakt med nya grann och, gör nya anslutningar som underhåller kontinuiteten av filma.

I detta sätt senarelägger de labila förbindelserna katastrofalt fel, och därmed, ge själv-att läka rekvisita till det materiellt. Till Och Med datorsimuleringarna isolerade vi parametern spänner för optimering av detta själv-läka uppförande. I faktum grundar vi att precis en förhållandevis liten volym del av labila förbindelser inom den materiella för canen förhöjningen dramatiskt kapaciteten av knyta kontakt att motstå katastrofalt fel.10

Det ovannämnda uppförandet är conceptually motsvarande till rekvisitan som bidrar till styrkan av abalonen beskjuter nacre, var bräckliga oorganiska lagrar interconnecteds av ett lagrar av arg-anknöt polymrer.13 Under en tänjbar deformering anknyter det svaga argt, eller ”är sacrificial förbindelser” första som ska brytas. Dessa brister skingrar energi och mildrar därmed verkställer av den mekaniska deformeringen. Därför underhåller avbrottet av dessa sacrificial förbindelsehjälp den strukturella fullständigheten av det materiellt.

I en annan ny studie14 tog vi också vår inspiration från funktionsdugligheten av biologiska leukocytes, som lokaliserar på ett sår och gör därmed den processaa reparera lättare. I vårt syntetmaterialsystem ”är leukocyten” en polymeric microcapsule, är de läka medlen encapsulated fasta nanoparticles, och ”såret” är en mikroskopisk spricka på en ytbehandla. I simuleringen är defyllda microcapsulesna drivande vid ett lagt på fluid flöde till flyttningen längs den knäckte substraten (se Fig. 1).

Simuleringarna avslöjde att dessa kapslar kan leverera de encapsulated nanoparticlesna till specifika platser på substraten som frambringar effektivt en omväxlande rutt till att reparera ytbehandlar hoppar av. När de läka nanoparticlesna sattes in på de önskade platserna, kunde resonerar dedrivande kapslarna flyttningen främja längs ytbehandla och för denna, strategin benämndes ”reparera-och-går”. Den mer sistnämnda strategin kunde vara bestämt fördelaktig, sedan den skulle har försumbart att få effekt på precisionen av dedefekta regionerna och gäller minsta belopp av repareramaterialen.

Figure1. Grafiskt som tillverkas från simuleringsvisningen som detdrivande vinkar av en kapsel på ett skadadt ytbehandlar; tidförhöjningar som går från från vänster till höger. Avbildar visar kapselns rörelse från dess initialt placerar (överträffa), till inre av sprickan (en mitt), och dess beträffande-uppkomst på det oskadat portionr av ytbehandla (botten). De grå färg skuggade områdena markerar substraten, och blåttet pekar motsvarar till nanoparticlesna. Röda pilar indikerar riktningen av det lagda på saxflödet.

Det är anmärkningsvärt att mikron-storleksanpassade kapslar som fylls med upplöst partiklar kan encompass mycket kicklaster och att låta dem snabbt bära och leverera stora belopp av nanoparticles till ett önskat läge. Dessutom vinkar fortsatt, flöde-drivande av dessa mikro-bärare låter multipeln skadada regioner potentiellt läkas av kapslarna.

Förutom att läka ytbehandla sprickor, defyllda microcapsulesna kunde ge effektivt hjälpmedel av att bedöma fullständigheten av ytbehandla. De skulle fluid-drivande microcapsulesna fortsätter till flyttningen längs ”ett sunt”, det oskadade systemet, men blir fångade, eller lokaliserat på en skadad plats och därmed, leverera en synlig kemisk ”markör”, liksom fluorescerande nanoparticles. Skulle Sådan markörer möjliggör en non-destructively för att lokalisera och spåra de skadada regionerna.

De ovannämnda exemplen indikerar hur begrepp från biologi kan användas för att planlägga syntetmaterialsystem som anpassar till den mekaniska spänningen i välgörande väg. Genom att inkorporera sådan biomimetic mekanism in i fabriceringen av delar, kan en fördjupa sustainabilityen av systemet. Således kan dessa nya designbegrepp ultimately bevisa att vara economically fördelaktiga.


Hänvisar till

1. Caruso, M.M., Davis, D.A., Shen, Q., Odom, S.A., Sottos, N.R., Vit, S.R. och Moore, J.S., Mekanisk-Framkallade kemiska ändringar i polymeric material, Chem. Rev. 2009, 109, 5755-5798.
2. Chen, X., Fördämning, M.A., Ono, K., Mal, A, Shen, H, Nutt, S.R., Sheran, K. och Wudl, F.A., Termiskt beträffande-mendable arg-anknutit polymeric materiellt, Vetenskap 2002, 295, 1698-1702.
3. Cordier, P., Tournilhac, F., Soulie-Ziakovic, C., och Leibler, L., Själv-Läka och thermoreversible gummi från den supramolecular enheten, Natur 2008, 451, 977-980.
4. Amendola, V. och Meneghetti, M som Själv-Läker på nanoscalen, Nanoscale 2009, 1, 74 - 88.
5. Trask, R.S., Williams, H.R. och Förbindelse, I P. som Själv-Läker polymerkomposit: efterapa naturen för att förhöja kapacitet, Bioinsp. Biomim. 2007 2, P1- P9.
6. Balazs A.C. som Modellerar själv-läka material, Material I Dag 2007, 10, 18 - 23.
7. Ull R.A. som Själv-Läker material: en granska, Mjuk Materia 2008, 4, 400-418.
8. Wu, D.Y., Meure, S och Solomon, D. som Själv-Läker polymeric material: en granska av nya utvecklingar, Framsteg i PolymerVetenskap 2008, 33, 479 - 522.
9. Hickenboth, C.R. et al som Biasing reaktionsbanor med mekanisk styrka, Natur 2007, 446, 423 - 427.
10. Kolmakov, G.V., Matyjaszewski, K. och Balazs, A.C., ”Exploatera labila förbindelser mellan nanogelpartiklar för att skapa själv-att läka material”, ACS Nano 2009, 3, 885-892.
11. Minut, K. och Matyjaszewski, K., Atom-Överföring radikal polymerisation i microemulsionen, Macromolecules 2005, 38, 8131 - 8134.
12. Minut, K., Gao, H. och Matyjaszewski, K., Utveckling av polymerisation för överföring för ab-initioemulsion en radikal: från microemulsion till emulsion J. Förmiddag. Chem. Soc. 2006 128, 10521 - 10526.
13. Smed, B.L., Schaffer, T.E., Viani, M., Thompson, J.B., Frederick, N.A., Kindt, J., Belcher, A., Stucky, G.D., Morse, D.E., och Hansma, P.K., Molekylär mechanistic beskärning av toughnessen av naturligt bindemedel, fibrer och komposit, Natur 1999, 399, 761-763.
14. Kolmakov, G.V., Revanur, R., Tangirala, R., Emrick, T., Russell, T.P., Crosby, A.J. och Balazs, A.B., genom Att Använda nanoparticle-fyllda microcapsules för plats-närmare detalj att läka av skadada substrates: att skapa ”reparera-och-går” systemet”, ACS Nano 2010, 4, 1115-1123.

Ta Copyrightt på AZoNano.com, Professorn Anna Christina Balazs (Universitetar av Pittsburgh)

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

Last Update: 14. June 2013 04:48

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