Kode til finjustering af elastomerer for at efterligne biologiske materialer

(Phys.org)—Biologisk materiale som knogler og muskler har en tendens til at have en bred vifte af elasticitet og stivhed, der er forskellig fra syntetiske materialer. Generelt, med syntetiske materialer, efterhånden som stivheden øges, elasticiteten falder. Biologiske materialer, på den anden side, ikke udviser et sådant direkte forhold. Der er stor interesse for at finde materialer, der efterligner biologiske materialer til brug som proteser og andre funktioner. Et sådant materiale er flaskebørstepolymeren.

Forskere fra University of North Carolina i Chapel Hill, University of Akron, og Carnegie Mellon University forsøgte at skitsere den tilgængelige stivhed og strækbarhed med flaskebørstepolymerer og foreslå en generel strategi for finjustering af tre egenskaber ved flaskebørste-polymeren for at efterligne de mekaniske egenskaber af biologiske væv. Deres brev kan findes Natur .

Syntetiske elastomerer har en tendens til at følge den "gyldne regel" for materielle genstande. Når materialets stivhed øges (E), dens strækbarhed (eller maksimal forlængelse, λ _max ) falder. Området for mulige E og λ _max er hovedsageligt defineret af den kemiske sammensætning af polymerens rygrad.

Biologiske materialer adlyder ikke denne "gyldne regel". De bebor, hvad forfatterne kalder den "biologiske trekant" af E og λ _max kombinationer, der i øjeblikket er utilgængelige for syntetiske materialer. Desuden, de tilgængelige E og λ _max ikke adlyde et strengt omvendt forhold. Børstepolymerer har vist sig at have stivhed og fleksibilitet mere lig biologiske systemer. Derudover kampolymerer og triblok-copolymerer kan anvendes til at justere polymerarkitekturen.

Gennem tværbinding, flaskebørste makromolekyler kan producere et opløsningsmiddelfrit polymernetværk. Med andre ord, de er elastomerer, der let reagerer på et elektrostatisk felt ved at ændre form. Tidligere arbejde af denne gruppe identificerede og syntetiserede denne specielle slags elastomer. I modsætning til andre typer elektrostatiske polymerer, flaskebørste-elastomerer reagerer på et relativt lille elektrisk felt og kræver ikke forspænding.

En nøgleegenskab ved flaskebørsteelastomerer er deres stivhed og strækbarhed, E og λ _max , styres uafhængigt af tre arkitektoniske parametre:graden af ​​polymerisation af sidekæderne (n _sc ), afstandsstykket mellem tilstødende sidekæder (n _g ), og rygradsstrengen (n _x ). Typiske lineære kædeelastomerer er "endimensionelle, " afhængig af én parameter - rygraden, n _x -som måden at manipulere E og λ _max .

For at teste, hvordan man manipulerer disse tre egenskaber for at få adgang til kombinationer af E og λ _max inden for den "biologiske trekant, " Forfatterne brugte forskellige PDMS-elastomerer som modelsystemer. De begyndte med at måle stress-strain-kurverne for en bred vifte af elastomerer for at bekræfte teoretiske forudsigelser.

Efter at have testet flere modelsystemer, forfatterne identificerede derefter korrelationer mellem n _sc , n _g , og n _x og elastomerens mekaniske egenskaber. They found that there were four distinct correlations between E and λ _max for several combinations of n _sc , n _g , and n _x :1) E decreases as λ _max increases (the typical relationship seen in synthetic polymers), 2) a concurrent decrease in E and λ _max , 3) E varies while λ _max stays constant, and 4) λ _max varies while E stays constant.

Endelig, taking these correlations, the authors then devised rules for choosing the right combination of n _sc , n _g , and n _x to mimic the stress-strain curves for certain biological systems. They did this by relating a known mathematical relationship between the equilibrium stress and network elongation to the elastomer Young modulus and strain-stiffening parameter. These are then related to n _sc , n _g , and n _x to provide a code for choosing the right combination for a particular E and λ _max pair.

By manipulating these three properties, Vatankha-Varnosfaderani et al. were able to match the elastomer's stress-strain curve to that of representative biological materials. They successfully found the combination to mimic jelly fish tissue. Imidlertid, adaptive biological materials, such as lung, muskel, and artery tissue, revealed synthetically prohibitive n _sc , n _g , n _x triplets. To overcome this, they used triblock copolymers with varying lengths of bottlebrush middle block. From these architectures they were able to obtain polymer materials that had the appropriate triplets to mimic biological stress-strain curves.

This research has implications for producing synthetic materials that are beyond the narrow range of stiffness and elasticity available to linear polymers. Future research may include fine-tuning the chemical composition of the elastomers for specific needs such as biological compatibility, conductivity, or solubility.

© 2017 Phys.org