Under pres:Nyt bioinspireret materiale kan formskifte til eksterne kræfter

Inspireret af, hvordan menneskelige knogler og farverige koralrev justerer mineralaflejringer som reaktion på deres omgivende miljøer, Johns Hopkins-forskere har skabt et selvtilpassende materiale, der kan ændre dets stivhed som reaktion på den påførte kraft. Denne fremgang kan en dag åbne dørene for materialer, der kan selvforstærke for at forberede sig på øget kraft eller stoppe yderligere skade. En rapport om resultaterne blev offentliggjort i dag i Avancerede materialer .

"Forestil dig et knogleimplantat eller en bro, der kan selvforstærke, hvor der påføres en høj kraft uden inspektion og vedligeholdelse. Det vil tillade sikrere implantater og broer med minimal komplikation, omkostninger og nedetid, " siger Sung Hoon Kang, en adjunkt ved Institut for Maskinteknik, Hopkins Extreme Materials Institute, og Institute for NanoBioTechnology ved Johns Hopkins University og undersøgelsens seniorforfatter.

Mens andre forskere har forsøgt at skabe lignende syntetiske materialer før, at gøre det har været udfordrende, fordi sådanne materialer er vanskelige og dyre at skabe, eller kræver aktiv vedligeholdelse, når de skabes og er begrænset i, hvor meget stress de kan tåle. At have materialer med tilpasningsdygtige egenskaber, som dem af træ og ben, kan give sikrere strukturer, spare penge og ressourcer, og reducere den skadelige miljøpåvirkning.

Naturmaterialer kan selvregulere ved at bruge ressourcer i det omgivende miljø; for eksempel, knogler bruger cellesignaler til at kontrollere tilsætning eller fjernelse af mineraler taget fra blod omkring dem. Inspireret af disse naturlige materialer, Kang og kolleger søgte at skabe et materialesystem, der kunne tilføje mineraler som reaktion på påført stress.

Holdet startede med at bruge materialer, der kan omdanne mekaniske kræfter til elektriske ladninger som stilladser, eller støttestrukturer, der kan skabe ladninger proportionalt med ydre kraft placeret på den. Holdets håb var, at disse ladninger kunne tjene som signaler for materialerne til at starte mineralisering fra mineralioner i miljøet.

Kang og kolleger nedsænkede polymerfilm af disse materialer i en simuleret kropsvæske, der efterligner ioniske koncentrationer af humant blodplasma. Efter at materialerne er inkuberet i den simulerede kropsvæske, mineraler begyndte at dannes på overfladerne. Holdet opdagede også, at de kunne kontrollere de typer af mineraler, der dannes ved at kontrollere væskens ionsammensætning.

Holdet satte derefter en bjælke forankret i den ene ende for gradvist at øge stress fra den ene ende af materialerne til den anden og fandt ud af, at regioner med mere stress havde mere mineralopbygning; mineralhøjden var proportional med kvadratroden af ​​påført stress.

Deres metoder, siger forskerne, er enkle, lavpris og kræver ikke ekstra energi.

"Vores resultater kan bane vejen for en ny klasse af selvregenererende materialer, der kan selvforstærke beskadigede områder, " siger Kang. Kang håber, at disse materialer en dag kan bruges som stilladser for at fremskynde behandlingen af ​​knoglerelateret sygdom eller fraktur, smarte harpikser til tandbehandlinger eller andre lignende applikationer.

Derudover disse resultater bidrager til forskernes forståelse af dynamiske materialer og hvordan mineralisering virker, som kunne kaste lys over ideelle miljøer, der er nødvendige for knogleregenerering.