Biomimetic 愈合的设计策略在 Nanoscale

由安娜 Balazs 教授

安娜克里斯蒂娜 Balazs,再生医学匹兹堡大学 McGowan 学院教授
对应的作者: balazs@pitt.edu

这个能力愈合创伤是其中一个生物系统正确地卓越的属性。 一个全部挑战在材料学是设计 “可能通过 “不仅感觉” “创伤”或缺陷的出现仿造此工作情况的聪明的”综合系统,而且有效重建损坏的区的连续性和完整性。 这样材料将极大扩大浩大的一些的寿命和实用程序制作的项目。

纳米技术与实用程序和生产是特别相关的自恢复性能的材料。 例如,当设备到达 nanoscale 维数,设立手段促进维修服务在这些长度缩放比例变得重要。 运行和处理周详工具进行此运算仍然是远离琐细。 一个最佳方案将设计可能认可一个 nanoscopic 精锐部队外观或裂痕的系统可能特别地然后处理维修服务作用者到该站点。

在多种宏观要素制造, nanoscale 故障是关键问题。 例如,在制造过程期间, nanoscopic 槽口和临时可能出现在材料表面。 由于小型这些缺陷,他们是难检测和因而,难修理。

这样缺陷,然而,可能有对这个系统的机械性能的大量的作用。 例如,重大的应力集中可能发生在槽口技巧在表面的; 高重点的这样地区可能根本地导致镇压的传送通过这个系统和机械工作情况的降低。

因此,其中一创建的自恢复性能的材料驱动力1-9 实际上是需要影响在 nanoscale 的维修服务。 在正端,在纳米技术上的进步能为认识到这些材料的创建也提供途径。 特别是,科学家能现在生产一个惊人的列阵虚拟,并且困难 nanoscopic 微粒和成为高度适应在剪裁这些微粒表面化学。

下面,我们描述关于设计利用 nanoscopic 微粒唯一属性的自恢复性能的材料的二个最近计算研究。 我们下面注意,这两个研究采取他们的从生物系统的启发。

在介入软的 nanoparticles 的一个最近研究中,10 我们着重 nanoscopic 聚合物胶凝体微粒或者 “nanogels”11 作为在我们的系统的主要构件。 新的方法最近启用了控制综合的这样胶体。12 此外,这些微粒表面可以 functionalized 与多种易反应的组,允许各自的 nanogel 微粒被交互相联到宏观材料。11 使用一个粗大的计算设计,我们检查这样的系统被交互相联的,软的 nanogel 微粒并且设计了经过结构上的重新整理以回应机械重点的涂层和从而防止材料的灾难性故障。10

我们假设,微粒通过一小部分易变的债券 (即,硫烃被连接、二硫化物或者氢键)。3微粒由更加严格,较不易反应的债券 (即, C-C,债券) 也互联,我们是指,当 “永久性”结合,和因而,系统展览所谓的 “双重交联”。

在此系统内,稳定, “永久性”结合在 nanogels 作用之间一个重要角色通过给予结构上的完整性。 然而,它是易反应,易变的债券改进材料的力量。 特别是,当材料紧张时,易变的债券在更加严格的连接数前中断; 这些残破的债券允许微粒滑倒和下滑,进入与新的邻居的联络并且建立维护这部影片的连续性的新的联系。

照此,易变的债券延期灾难性故障,并且从而,请给予自恢复性能的属性对材料。 通过计算机模拟,我们查出优选的此自恢复性能的工作情况参数范围。 实际上,我们发现易变的债券的一个相对地小的体积分数在材料内的可能巨大增加这个网络的能力抵抗灾难性故障。10

上述工作情况是概念上类似于造成鲍鱼壳珍珠层力量,易碎的无机层由被交互相联的聚合物层互联的属性。13 在拉伸变形下,弱的交叉连结或 “牺牲债券”是中断的第一个。 这些破裂消散能源和从而缓和机械变形的作用。 结果,这些牺牲债券帮助破损维护材料的结构上的完整性。

在另一个最近研究中,14 我们也采取了我们的从生物白血球的功能的启发,局限化在创伤和从而实现维修服务进程。 在我们的综合系统,这粒 “白血球”是一个聚合物微胶囊,医治用的作用者是被浓缩的固定的 nanoparticles,并且这个 “创伤”是在表面的一个微观精锐部队。 在模拟,强加的流体流动驱动纳米颗粒充满的微胶囊沿这个破裂的基体移动 (参见图 1)。

模拟表示这些胶囊可能提供被浓缩的 nanoparticles 到这个基体的特定站点,有效生成一条变更进路对修理表面损坏。 一旦医治用的 nanoparticles 在期望站点存款,流动主导的胶囊可能进一步沿表面移动,并且为此,这个方法被命名了 “维修服务和去”。 因为它将有对非有缺陷的地区的精确度的微不足道的影响并且介入最小的数额维修服务材料,这个后方法可能是特别有利的。

Figure1. 从显示一个胶囊的流动主导的行动的在损坏的表面的模拟的图形式输出; 从左到右去时间的增量。 图象表示从其最初的位置 (顶层) 的胶囊的移动对这个精锐部队 (中间) 和其在表面上 (底层) 的未损坏的部分的再度出现的内部。 灰色遮蔽了区标记这个基体,并且蓝蚝对应于 nanoparticles。 红色箭头指示强加的剪切流的方向。

是显著的微米尺寸胶囊充满被溶化的微粒可能包含非常高有效负荷,给他们迅速地运载和提供很多 nanoparticles 到一个期望地点。 此外,这些微载体的持续的,流主导的行动可能地允许多个损坏的地区由胶囊愈合。

除医治用的表面镇压之外,纳米颗粒充满的微胶囊能提供估计表面的完整性有效手段。 流动主导的微胶囊将继续沿 “健康”移动,未损坏的系统,但是变得捕捉或局限化在一个损坏的站点和从而,请传送一个可视化工 “标记”,例如萤光 nanoparticles。 这样标记将启用一对非破坏性找出并且跟踪损坏的地区。

上述示例指示从生物的概念如何可以使用设计适应机械重点用有利方式的综合系统。 通过合并这样 biomimetic 结构到要素的制造里,一个可能扩大这个系统的持续力。 因此,这些新的设计观念可能根本地证明经济上有利的。


参考

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版权 AZoNano.com,安娜克里斯蒂娜 Balazs (匹兹堡大学教授)

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

Last Update: 14. June 2013 03:54

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