Biomimetic 癒合的設計策略在 Nanoscale

由安娜 Balazs 教授

安娜克里斯蒂娜 Balazs,再生醫學匹茲堡大學 McGowan 學院教授
對應的作者: balazs@pitt.edu

這個能力癒合創傷是其中一個生物系統正確地卓越的屬性。 一個全部挑戰在材料學是設計 「可能通過 「不僅感覺」 「創傷」或缺陷的出現仿造此工作情況的聰明的」綜合系統,而且有效重建損壞的區的連續性和完整性。 這樣材料將極大擴大浩大的一些的壽命和實用程序製作的項目。

納米技術與實用程序和生產是特別相關的自恢復性能的材料。 例如,當設備到達 nanoscale 維數,設立手段促進維修服務在這些長度縮放比例變得重要。 運行和處理周詳工具進行此運算仍然是遠離瑣細。 一個最佳方案將設計可能認可一個 nanoscopic 精銳部隊外觀或裂痕的系統可能特別地然後處理維修服務作用者到該站點。

在多種宏觀要素製造, nanoscale 故障是關鍵問題。 例如,在製造過程期間, nanoscopic 槽口和臨時可能出現在材料表面。 由於小型這些缺陷,他們是難檢測和因而,難修理。

這樣缺陷,然而,可能有對這個系統的機械性能的大量的作用。 例如,重大的應力集中可能發生在槽口技巧在表面的; 高重點的這樣地區可能根本地導致鎮壓的傳送通過這個系統和機械工作情況的降低。

因此,其中一創建的自恢復性能的材料驅動力1-9 實際上是需要影響在 nanoscale 的維修服務。 在正端,在納米技術上的進步能為認識到這些材料的創建也提供途徑。 特別是,科學家能現在生產一個驚人的列陣虛擬,并且困難 nanoscopic 微粒和成為高度適應在剪裁這些微粒表面化學。

下面,我們描述關於設計利用 nanoscopic 微粒唯一屬性的自恢復性能的材料的二個最近計算研究。 我們下面注意,這兩個研究採取他們的從生物系統的啟發。

在介入軟的 nanoparticles 的一個最近研究中,10 我們著重 nanoscopic 聚合物膠凝體微粒或者 「nanogels」11 作為在我們的系統的主要構件。 新的方法最近啟用了控制綜合的這樣膠體。12 此外,這些微粒表面可以 functionalized 與多種易反應的組,允許各自的 nanogel 微粒被交互相聯到宏觀材料。11 使用一個粗大的計算設計,我們檢查這樣的系統被交互相聯的,軟的 nanogel 微粒并且設計了經過結構上的重新整理以回應機械重點的塗層和從而防止材料的災難性故障。10

我們假設,微粒通過一小部分易變的債券 (即,硫烴被連接、二硫化物或者氫鍵)。3微粒由更加嚴格,較不易反應的債券 (即, C-C,債券) 也互聯,我們是指,當 「永久性」結合,和因而,系統展覽所謂的 「雙重交聯」。

在此系統內,穩定, 「永久性」結合在 nanogels 作用之間一個重要角色通過給予結構上的完整性。 然而,它是易反應,易變的債券改進材料的力量。 特別是,當材料緊張時,易變的債券在更加嚴格的連接數前中斷; 這些殘破的債券允許微粒滑倒和下滑,進入與新的鄰居的聯絡并且建立維護這部影片的連續性的新的聯繫。

照此,易變的債券延期災難性故障,并且從而,请給予自恢復性能的屬性對材料。 通過計算機模擬,我們查出優選的此自恢復性能的工作情況參數範圍。 實際上,我們發現易變的債券的一個相對地小的體積分數在材料內的可能巨大增加這個網絡的能力抵抗災難性故障。10

上述工作情況是概念上類似於造成鮑魚殼珍珠層力量,易碎的無機層由被交互相聯的聚合物層互聯的屬性。13 在拉伸變形下,弱的交叉連結或 「犧牲債券」是中斷的第一个。 這些破裂消散能源和從而緩和機械變形的作用。 結果,這些犧牲債券幫助破損維護材料的結構上的完整性。

在另一個最近研究中,14 我們也採取了我們的從生物白血球的功能的啟發,局限化在創傷和從而實現維修服務進程。 在我們的綜合系統,這粒 「白血球」是一個聚合物微膠囊,醫治用的作用者是被濃縮的固定的 nanoparticles,并且這個 「創傷」是在表面的一個微觀精銳部隊。 在模擬,強加的流體流動驅動納米顆粒充滿的微膠囊沿這個破裂的基體移動 (參見圖 1)。

模擬表示這些膠囊可能提供被濃縮的 nanoparticles 到這個基體的特定站點,有效生成一條變更進路對修理表面損壞。 一旦醫治用的 nanoparticles 在期望站點存款,流動主導的膠囊可能進一步沿表面移動,并且為此,這個方法被命名了 「維修服務和去」。 因為它將有對非有缺陷的地區的精確度的微不足道的影響并且介入最小的數額維修服務材料,這個後方法可能是特別有利的。

Figure1. 從顯示一個膠囊的流動主導的行動的在損壞的表面的模擬的圖形式輸出; 從左到右去時間的增量。 圖像表示從其最初的位置 (頂層) 的膠囊的移動對這個精銳部隊 (中間) 和其在表面上 (底層) 的未損壞的部分的再度出現的內部。 灰色遮蔽了區標記這個基體,并且藍蚝對應於 nanoparticles。 紅色箭頭指示強加的剪切流的方向。

是顯著的微米尺寸膠囊充滿被溶化的微粒可能包含非常高有效負荷,給他們迅速地運載和提供很多 nanoparticles 到一個期望地點。 此外,這些微載體的持續的,流主導的行動可能地允許多個損壞的地區由膠囊癒合。

除醫治用的表面鎮壓之外,納米顆粒充滿的微膠囊能提供估計表面的完整性有效手段。 流動主導的微膠囊將繼續沿 「健康」移動,未損壞的系統,但是變得捕捉或局限化在一個損壞的站點和從而,请傳送一個可視化工 「標記」,例如螢光 nanoparticles。 這樣標記將啟用一對非破壞性找出并且跟蹤損壞的地區。

上述示例指示從生物的概念如何可以使用設計適應機械重點用有利方式的綜合系統。 通過合併這樣 biomimetic 結構到要素的製造裡,一个可能擴大這個系統的持續力。 因此,這些新的設計觀念可能根本地證明經濟上有利的。


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版權 AZoNano.com,安娜克里斯蒂娜 Balazs (匹茲堡大學教授)

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

Last Update: 14. June 2013 03:58

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