Inspireret af knogler, nyt adaptivt materiale styrkes fra vibrationer

Knogle er ikke bare et fast materiale - det er et dynamisk sæt af strukturer, der kan tilpasse deres masse og styrke baseret på de belastninger, de skal understøtte.

At udvikle den slags adaptivt materiale har længe været videnskabsmænds drøm. Nu for første gang, forskere ved Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago har udviklet et gelmateriale, der styrker sig, når det udsættes for vibrationer.

Ikke alene var videnskabsmænd i stand til at gøre materialet 66 gange stærkere gennem vibrationer, de var også i stand til kun at styrke de områder, der var udsat for bevægelse. Den slags specificitet kan føre til nye klæbemidler og bedre måder at integrere implantater i kroppen på.

Resultaterne blev offentliggjort den 22. februar i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Hvert andet materiale bliver svagere, når det vibreres, " sagde lektor prof. Aaron Esser-Kahn, der ledede forskningen. "Det er første gang, vi har vendt den proces, viser, at et materiale kan styrke sig selv med mekanisk vibration."

Dannelse af et andet netværk i materialet

Da Esser-Kahn og hans gruppe begyndte at tænke på, hvordan man udviklede adaptive materialer, de så ud til at drage fordel af den piezoelektriske effekt, som giver visse materialer evnen til at generere en elektrisk ladning som reaktion på mekanisk stress. En sådan anklage kunne anstifte en reaktion i et materiale og styrke det, de foreslog.

Men det viste sig at være svært at generere den rigtige reaktion på mekanisk stress. Holdet testede snesevis af forskellige kemier, før de fandt den, der virkede:en polymergel blandet med thiol-en-reaktorer og piezoelektriske zinkoxidpartikler.

Når materialet vibreres, partiklerne transducerer energi og skaber en thiol-en-reaktion, hvilket får komponenterne i materialet til at krydsbinde. Den tværbinding danner i det væsentlige et andet netværk inde i materialet, at styrke det.

Selvom materialet startede som et blødt, kollagenholdigt materiale, efterhånden som vibrationen steg, materialet blev styrket yderligere og yderligere. Holdet var i stand til at øge styrken af ​​materialet til 66 gange dets oprindelige styrke, ende med et materiale, der var tæt på stivheden af ​​de indre dele af knogle.

"Ligesom ben, materialet styrket til den nøjagtige mængde kraft, vi lægger i det, " sagde Esser-Kahn. Ikke nok med det, materialet styrkede sig ikke bare hele vejen igennem – det styrkede sig selektivt på specifikke områder, hvor det blev belastet i højere grad.

At skabe nye former for klæbemidler, der integreres med kroppen

Den slags selektiv styrkelse kan føre til materialer, der selektivt kan stivne - og en ny måde at designe strukturer på. Måske kunne det blive en del af en bygning, der bliver stærkere, efterhånden som den ældes, eller bruges til at klæbe materialer sammen i et fly.

"Klæbemidler kan blive enormt påvirket af dette, " sagde Esser-Kahn. "Klæbemidler er næsten altid punktet for fejl i materialer. Dette kan føre til specialiserede klæbemidler, der klæber og sætter meget bedre."

Gruppen undersøger, hvordan man bruger materialet til bedre at integrere kunstige materialer i den menneskelige krop - i hofteimplantater, for eksempel.

"Ingen mennesker er ens, og et materiale som dette er, hvordan vi begynder at lave materialer, der opfører sig på samme måde som dem, der findes i biologi, " sagde Esser-Kahn.

Andre forfattere på papiret omfatter postdoktorale forskere Zhao Wang, Jun Wang, og Saikat Manna; kandidatstuderende Jorge Ayarza; tidligere kandidatforsker Tim Steeves; og Ziying Hu fra Northwestern University.