Hårdere og lettere tandimplantatkroner kan fremstilles af cellulosebaserede nanokompositter

Naturen giver unik indsigt i designstrategier udviklet af levende organismer til at konstruere robuste materialer. I dette tilfælde, forskergruppen var i stand til at skabe et nyt slagfast materiale inspireret af mantis-rejens daktylklub. Det nye materiale kan bruges i applikationer, der kræver at modstå gentagne påvirkninger med høj belastningshastighed og samtidig bevare den strukturelle integritet. Forskningsresultaterne blev offentliggjort den 1. september 2021 i Avancerede materialer .

En forskergruppe hos VTT's lykkedes med at designe og producere en mineraliseret biokomposit med høj styrke, stivhed, og brudsejhed, der ligner det arkitektoniske design af mantis-rejens daktylkølle.

"Disse fascinerende rejer er en af ​​naturens mest dødbringende dræbermaskiner. I forhold til deres lille størrelse, de giver det stærkeste slag i dyreriget. De smadrer deres bytte ved at kaste et par hammerlignende raptoriske vedhæng med en enorm hastighed og kraft større end riffelkugler under jagt på nært hold, " forklarer Dr. Pezhman Mohammadi, Forsker ved VTT. "Mantis-rejens primære fødekilder er marine organismer med hård skal, såsom bløddyr. For at komme til det bløde, den nærende del, de udsletter direkte gennem disse stærkt mineraliserede eksoskeletter."

Tidligere undersøgelser har vist, at køllen er en flerfaset hierarkisk ordnet nanokomposit med graderede mekaniske egenskaber. "Køllen har et blødt indvendigt lag, der giver energiafledning og en stiv, hårdt, og slagfast ydre lag. Sammen, lagene øger køllens overordnede skadetolerance. Begge lag har lignende byggesten, men i forskelligt relativt indhold, polymorf form, og organisation. Hovedbyggestenen er spiralformet ordnede chitin-nanofibriller, der er limet sammen af ​​en proteinrig matrix, " fortæller Mohammadi.

Kombinerer cellulose nanokrystaller og proteiner

Forskergruppen replikerede denne struktur ved at bruge lignende byggeklodser og procesbetingelser. De samlede en ny komposit, som består af cellulose nanokrystaller og to typer gensplejsede proteiner. Et protein blev designet til at øge materialets grænsefladestyrke og det andet til at mediere kernedannelse og vækst af hydroxyapatitkrystaller. Denne nye komposit blev forarbejdet til indviklede former ved at fremstille den til en tandimplantatkrone med periodiske mønstre af mikroforstærkningsorientering, og en dobbeltlagsarkitektur svarende til mennesketænder. Med yderligere undersøgelser, proteinerne kunne konstrueres til at give materialet nye egenskaber.

Til fremtidige ansøgninger, materialets skalerbarhed og forarbejdningsbetingelser skal videreudvikles.