Programmering av mekanisk prestanda. a, Den mekaniska mångfalden av biologiska och syntetiska material illustreras av enaxliga dragspänning-töjningskurvor, som avslöjar kombinationer av egenskaper som sträcker sig från "styv och spröd" till "mjuk och elastisk" när materialet genomgår förlängning från en initial längd L0 till längd L. b, Många (övervägande syntetiska) material kännetecknas av "den gyllene regeln":ett omvänt förhållande mellan förlängning vid brott och Youngs modul, som visas här. c, Graden av polymerisation (nx) av nätverkssträngarna i konventionella linjärkedjeelastomerer resulterar i ett universellt förhållande, som begränsar det mekaniska beteendet hos elastomerer till en enda trendlinje (tjock linje), med en nedre gräns som orsakas av kedjestörningar (där E är cirka 10 5 Pa) och ett övre värde för λmax på ca 5 (tjock cirkel). d, Flödesschema som beskriver hur vi replikerar specifika mekaniska egenskaper hos biologiska vävnader i borstliknande elastomerer. Kredit:(c) Natur (2017). DOI:10.1038/nature23673
(Phys.org) —Biologiskt material som ben och muskler tenderar att ha ett brett spektrum av elasticitet och styvhet som skiljer sig från syntetiska material. I allmänhet, med syntetiska material, när stelheten ökar, elasticiteten minskar. Biologiska material, å andra sidan, inte uppvisar ett sådant direkt samband. Det finns ett stort intresse för att hitta material som efterliknar biologiska material för användning som proteser och andra funktioner. Ett sådant material är flaskborstpolymeren.
Forskare från University of North Carolina i Chapel Hill, University of Akron, och Carnegie Mellon University försökte beskriva den tillgängliga styvheten och töjbarheten med flaskborstepolymerer och föreslå en allmän strategi för att finjustera tre egenskaper hos flaskborstepolymeren för att efterlikna de mekaniska egenskaperna hos biologiska vävnader. Deras brev kan hittas Natur .
Syntetiska elastomerer tenderar att följa den "gyllene regeln" för materiella föremål. När materialets styvhet ökar (E), dess töjbarhet (eller maximal töjbarhet, λ max ) minskar. Omfånget av möjliga E och λ max definieras huvudsakligen av den kemiska sammansättningen av polymerstommen.
Biologiska material lyder inte denna "gyllene regel". De bor i vad författarna kallar den "biologiska triangeln" av E och λ max kombinationer som för närvarande är otillgängliga för syntetiska material. Vidare, tillgängliga E och λ max följ inte ett strikt omvänt förhållande. Borstpolymerer har visat sig ha styvhet och flexibilitet som mer liknar biologiska system. Dessutom, kampolymerer och triblocksampolymerer kan användas för att justera polymerarkitekturen.
Genom tvärbindning, flaskborste makromolekyler kan producera ett lösningsmedelsfritt polymernätverk. Med andra ord, de är elastomerer som lätt reagerar på ett elektrostatiskt fält genom att ändra form. Tidigare arbete av denna grupp identifierade och syntetiserade denna speciella typ av elastomer. Till skillnad från andra typer av elektrostatiska polymerer, flaskborstelastomerer svarar på ett relativt litet elektriskt fält och kräver inte förspänning.
En nyckelegenskap hos flaskborsteelastomerer är deras styvhet och töjbarhet, E och X max , kontrolleras oberoende av tre arkitektoniska parametrar:graden av polymerisation av sidokedjorna (n sc ), distansen mellan intilliggande sidokedjor (n g ), och ryggradstråden (n x ). Typiska linjära kedjeelaster är "endimensionella, " förlitar sig på en parameter - ryggradssträngen, n x — som sättet att manipulera E och λ max .
För att testa hur man manipulerar dessa tre egenskaper för att komma åt kombinationer av E och λ max inom den "biologiska triangeln, " Författarna använde olika PDMS-elastomerer som modellsystem. De började med att mäta spännings-töjningskurvorna för ett brett spektrum av elastomerer för att bekräfta teoretiska förutsägelser.
Efter att ha testat flera modellsystem, författarna identifierade sedan korrelationer mellan n sc , n g , och n x och elastomerens mekaniska egenskaper. 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.
Till sist, 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. Dock, adaptive biological materials, such as lung, muscle, 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
