Pod presją: New bioinspired materiał może „ShapeShift” do sił zewnętrznych

Raport z ustaleń został opublikowany dzisiaj w Advanced Materials.

„Wyobraźmy sobie implant kostny lub mostu, który może samodzielnie wzmocnienia, gdzie duża siła jest stosowana bez kontroli i konserwacji. Pozwoli to na bezpieczniejsze implantów i mostów z minimalnym komplikacji, kosztów i czasu przestoju”, mówi Sung Hoon Kang, adiunktem w Wydział Mechaniczny, Hopkins Skrajne Instytutu Materiałoznawstwa i Instytutu nanobiotechnologia w The Johns Hopkins University i badania za starszego autora.

Podczas gdy inni badacze próbowali przed utworzeniem podobnych materiałów syntetycznych, czyniąc to okazało się wyzwaniem, ponieważ materiały te są trudne i kosztowne do tworzenia, lub wymagają aktywnego konserwacji gdy są one tworzone i są ograniczone w jak dużo stresu mogą znieść. O materiały o właściwościach elastycznych, takich jak te, z drewna i kości, może zapewnić bezpieczniejsze konstrukcje, zaoszczędzić pieniądze i zasobów oraz zmniejszenia szkodliwego oddziaływania na środowisko.

Naturalne materiały mogą samoregulacji przy użyciu zasobów otaczającego środowiska; na przykład kości używać sygnałów komórkowych kontrolować dodawanie lub usuwanie minerałów pobranych z krwi wokół nich. Zainspirowany tych naturalnych materiałów, Kang i jego współpracownicy starali się stworzyć system materiałów, które można dodać minerałów stosowanych w odpowiedzi na stres.

Zespół rozpoczął się przy użyciu materiałów, które można przekonwertować sił mechanicznych na ładunki elektryczne jak rusztowań lub konstrukcji wsporczych, które mogą tworzyć opłaty proporcjonalne do siły zewnętrznej umieszczonej na nim. Zespół nadzieją było to, że opłaty te mogą służyć jako sygnały na materiały do ​​rozpoczęcia mineralizacji od jonów mineralnych w środowisku.

Kang i wsp zanurzono błony polimerowe tych materiałów w symulowanym płynie ustrojowym naśladując jonowe stężenie ludzkiego osocza krwi. Po materiałów inkubowanych w symulowanym płynie ustrojowym, minerały rozpoczęła utworzenia na powierzchni. Zespół odkrył również, że mogą kontrolować rodzaje minerałów uformowanych poprzez kontrolowanie składu jonowego czynnika.

Następnie zespół utworzyć wiązkę zakotwione z jednej strony stopniowe zwiększanie obciążenia od jednego końca do drugiego materiału i stwierdzono, że obszary o większej naprężenia miały bardziej osad mineralny; wysokość mineralnych jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego naprężenia stosowane.

Ich metody, naukowcy mówią, są proste, niskie koszty i nie wymagają dodatkowej energii.

„Nasze odkrycia mogą utorować drogę do nowej klasy materiałów do samodzielnej regeneracji, które mogą self-wzmacniający uszkodzonych obszarów”, mówi Kang. Kang ma nadzieję, że te materiały mogą być kiedyś wykorzystywane jako rusztowania, aby przyspieszyć leczenie chorób związanych z kości lub złamania, inteligentne żywic do zabiegów stomatologicznych i innych podobnych zastosowaniach.

Dodatkowo, wyniki te przyczyniają się do naukowców zrozumienie materiałów dynamicznych i jak działa mineralizacji, które mogłyby rzucić światło na warunkach idealnych potrzebnych do regeneracji kości.