Programación del rendimiento mecánico. a, La diversidad mecánica de los materiales biológicos y sintéticos se ilustra mediante curvas de tensión-deformación uniaxiales, que revelan combinaciones de propiedades que van desde "rígido y quebradizo" a "blando y elástico" cuando el material se extiende desde una longitud inicial L0 hasta una longitud L. b, Muchos materiales (predominantemente sintéticos) se caracterizan por "la regla de oro":una relación inversa entre elongación a la rotura y el módulo de Young, como se muestra aquí. C, El grado de polimerización (nx) de las hebras de la red en elastómeros de cadena lineal convencionales da como resultado una relación universal, que limita el comportamiento mecánico de los elastómeros a una sola línea de tendencia (línea gruesa), con un límite inferior impuesto por enredos de cadenas (donde E es aproximadamente 10 5 Pa) y un valor superior para λmax de aproximadamente 5 (círculo grueso). D, Diagrama de flujo que describe cómo replicamos propiedades mecánicas específicas de tejidos biológicos en elastómeros en forma de cepillo. Crédito:(c) Naturaleza (2017). DOI:10.1038 / nature23673
(Phys.org) —Los materiales biológicos, como los huesos y los músculos, tienden a tener un amplio rango de elasticidad y rigidez que es diferente de los materiales sintéticos. En general, con materiales sintéticos, a medida que aumenta la rigidez, la elasticidad disminuye. Materiales biológicos, por otra parte, no exhiba una relación tan directa. Existe mucho interés en encontrar materiales que imiten a los materiales biológicos para su uso como prótesis y otras funciones. Uno de esos materiales es el polímero para cepillos de botellas.
Investigadores de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, Universidad de Akron, y la Universidad Carnegie Mellon buscaron delinear la rigidez y extensibilidad disponibles con polímeros de cepillo de botella y sugerir una estrategia general para ajustar tres características del polímero de cepillo de botella para imitar las propiedades mecánicas de los tejidos biológicos. Su carta se puede encontrar Naturaleza .
Los elastómeros sintéticos tienden a seguir la "regla de oro" de los objetos materiales. A medida que aumenta la rigidez del material (E), su extensibilidad (o alargamiento máximo, λ max ) disminuye. El rango de posibles E y λ max se define principalmente por la composición química de la estructura del polímero.
Los materiales biológicos no obedecen esta "regla de oro". Habitan lo que los autores llaman el "triángulo biológico" de E y λ max combinaciones que actualmente son inaccesibles para materiales sintéticos. Es más, la E y λ disponibles max no obedezca una relación estrictamente inversa. Se ha descubierto que los polímeros de cepillo tienen una rigidez y flexibilidad más similares a los sistemas biológicos. Adicionalmente, Pueden emplearse polímeros en peine y copolímeros tribloque para ajustar la arquitectura del polímero.
A través de la reticulación Las macromoléculas de cepillo de botella pueden producir una red polimérica sin disolventes. En otras palabras, son elastómeros que responden fácilmente a un campo electrostático cambiando de forma. El trabajo previo de este grupo identificó y sintetizó este tipo especial de elastómero. A diferencia de otros tipos de polímeros electrostáticos, Los elastómeros de los cepillos de botellas responden a un campo eléctrico relativamente pequeño y no requieren un esfuerzo previo.
Una propiedad clave de los elastómeros para cepillos de botellas es su rigidez y extensibilidad, E y λ max , están controlados de forma independiente por tres parámetros arquitectónicos:el grado de polimerización de las cadenas laterales (n Carolina del Sur ), el espaciador entre las cadenas laterales vecinas (n gramo ), y la hebra de la columna vertebral (n X ). Los elastómeros de cadena lineal típicos son "unidimensionales, "basándose en un parámetro:la cadena principal, norte X —Como forma de manipular E y λ max .
Para probar cómo manipular estas tres propiedades para acceder a combinaciones de E y λ max dentro del "triángulo biológico, “Los autores utilizaron varios elastómeros PDMS como sistemas modelo. Comenzaron midiendo las curvas de tensión-deformación para una amplia gama de elastómeros para corroborar las predicciones teóricas.
Después de probar varios sistemas modelo, los autores luego identificaron correlaciones entre n Carolina del Sur , norte gramo , y N X y las propiedades mecánicas del elastómero. Encontraron que había cuatro correlaciones distintas entre E y λ max para varias combinaciones de n Carolina del Sur , norte gramo , y N X :1) E disminuye a medida que λ max aumenta (la relación típica que se observa en los polímeros sintéticos), 2) una disminución concurrente en E y λ max , 3) E varía mientras que λ max se mantiene constante, y 4) λ max varies while E stays constant.
Finalmente, taking these correlations, the authors then devised rules for choosing the right combination of n Carolina del Sur , norte gramo , y 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 Carolina del Sur , norte gramo , y N X to provide a code for choosing the right combination for a particular E and λ max par.
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. Sin embargo, adaptive biological materials, such as lung, músculo, and artery tissue, revealed synthetically prohibitive n Carolina del Sur , norte gramo , norte X triplets. Para superar esto, 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