Metaller som järn och kalcium spelar en avgörande roll i människokroppen, så det är ingen överraskning att bioingenjörer skulle vilja integrera dem i det mjuka, stretchiga material som används för att reparera huden, blodkärl, lungor och annan vävnad.

Att designa elastomerer-en typ av polymer med gummiliknande egenskaper-är en mödosam process som ger en produkt med begränsad mångsidighet. Men Cornells ingenjörer har utvecklat ett nytt ramverk som gör elastomerdesign till en modulär process, möjliggör blandning och matchning av olika metaller med en enda polymer.

Ramverket beskrivs i "Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers, "publicerad 22 september Avancerade material .

Ramverket kom till när forskare från Cornells Biofoundry Lab försökte skapa ett elastiskt kärltransplantat som kunde hjälpa till att reparera hjärtvävnad med hjälp av koppar. Yadong Wang, McAdam Family Foundation -professor i hjärthjälpsteknik vid Meinig School of Biomedical Engineering, och postdoktoren Ying Chen ville införliva koppar i deras transplantat på grund av dess roll i att framkalla angiogenes - processen genom vilken nya blodkärl växer från befintliga.

Att blanda koppar och andra metalljoner med polymerer har förblivit ett nischområde inom kemi, så det fanns ingen plan för Chen att följa. Istället, hon bestämde sig för att konstruera en biokompatibel och biologiskt nedbrytbar elastomer från grunden.

Chens viktigaste genombrott var att tvärbinda hennes polymer med kopparjoner med hjälp av kelaterande ligander - molekyler som tätt binder en metalljon med två eller flera bindningar, "som hur en krabba klämmer ett föremål, "sade Wang. Även om kelatbindningar anses ha måttlig styrka inom kemi, elastomerer har många tvärbindningsmolekyler, så en mängd kelaterande ligander kan arbeta tillsammans för att bilda en stark molekyl.

Och eftersom en ligand kan binda flera metalljoner, det kan ge ett brett spektrum av mekaniska egenskaper - såsom styvhet och seghet - samt biomedicinska egenskaper. Till exempel, en polymers kopparjoner kan ersättas med zink, eller en kombination av koppar och zink kan användas - en tandem som finns i ett viktigt enzym för att bekämpa människans åldrande.

"Upptäckten var ganska spännande, "Sa Chen." Jag ville bara fortsätta med min kopparelastomer eftersom jag fokuserar på vävnadsteknik, men professor Wang sa:'Sakta ner, vi måste testa hur kraftfull denna plattform är och vad vi kan göra med den. '"

Som bevis på konceptet, Chen konstruerade sex unika elastomerer med en polymer och sex olika metaller, och gjorde sedan en sjunde elastomer med användning av en kalcium-magnesium-blandning. Det var första gången någon visade en biologiskt nedbrytbar metalljonelastomer-än mindre sju av dem.

"När Ying visade mig vad hon hade gjort, Jag sade, 'Det här materialet är fantastiskt, "" Sa Wang. "Det finns så mycket du kan göra med just den här enkla designen. Med många olika typer av metalljoner, en polymer kan förvandlas till åtta, nio, 10 olika elastomerer. "

Forskargruppen utförde också mekaniska experiment och biokompatibilitetsexperiment på sina elastomerer, testning av materialets spänning, stam och förmåga att användas med levande vävnad. Elastomerernas hållbarhet och biokompatibilitet matchade den för mer traditionella biomaterial som används inom medicin.

"Kopparmaterialet var mycket elastiskt, "Sa Chen." Det kan töjas åtminstone hundratals gånger utan att det går sönder. "

Nu när plattformen har publicerats, Chen fokuserar sin forskning på kopparelastomertransplantatet och dess förmåga att reparera blodkärl och hjärtvävnad. Sålänge, hon hoppas att andra ingenjörer kommer att använda hennes plattform för att skapa nya material för att förbättra mjukvävnadsrekonstruktion och förnyelse.

Wang delar samma hopp, och de möjliga tillämpningarna för ramverket är inte begränsade till blodkärl och andra vävnader, men kan eventuellt användas för industriella elastomerer som miljövänliga däck som bryts ned.

"Vi kliar bara på ytan, " han sa.