(Phys.org)—Biologisch materiaal zoals botten en spieren hebben over het algemeen een breed scala aan elasticiteit en stijfheid dat verschilt van synthetische materialen. In het algemeen, met synthetische materialen, naarmate de stijfheid toeneemt, elasticiteit neemt af. biologische materialen, anderzijds, vertonen niet zo'n directe relatie. Er is veel belangstelling voor het vinden van materialen die biologische materialen nabootsen voor gebruik als protheses en andere functies. Een dergelijk materiaal is het flessenborstelpolymeer.

Onderzoekers van de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill, Universiteit van Akron, en Carnegie Mellon University probeerden de beschikbare stijfheid en rekbaarheid van flessenborstelpolymeren te schetsen en een algemene strategie voor te stellen voor het verfijnen van drie kenmerken van het flessenborstelpolymeer om de mechanische eigenschappen van biologische weefsels na te bootsen. Hun brief is te vinden Natuur .

Synthetische elastomeren hebben de neiging om de "gouden regel" van materiële objecten te volgen. Naarmate de stijfheid van het materiaal toeneemt (E), de rekbaarheid (of maximale rek, λ _max ) afneemt. Het bereik van mogelijke E en λ _max wordt voornamelijk bepaald door de chemische samenstelling van de polymeerruggengraat.

Biologische materialen houden zich niet aan deze 'gouden regel'. Ze bewonen wat de auteurs de "biologische driehoek" van E en λ . noemen _max combinaties die nu voor kunststoffen onbereikbaar zijn. Verder, de beschikbare E en λ _max gehoorzaam niet aan een strikt omgekeerde relatie. Er is gevonden dat borstelpolymeren stijfheid en flexibiliteit hebben die meer lijken op biologische systemen. Aanvullend, kampolymeren en triblokcopolymeren kunnen worden gebruikt om de polymeerarchitectuur aan te passen.

Door verknoping, bottlebrush-macromoleculen kunnen een oplosmiddelvrij polymeernetwerk produceren. Met andere woorden, het zijn elastomeren die gemakkelijk reageren op een elektrostatisch veld door van vorm te veranderen. Eerder werk van deze groep identificeerde en synthetiseerde dit speciale soort elastomeer. In tegenstelling tot andere soorten elektrostatische polymeren, flessenborstel-elastomeren reageren op een relatief klein elektrisch veld en vereisen geen voorspanning.

Een belangrijke eigenschap van flessenborstel-elastomeren is hun stijfheid en rekbaarheid, E en _max , worden onafhankelijk gecontroleerd door drie architecturale parameters:de mate van polymerisatie van de zijketens (n _sc ), de spacer tussen aangrenzende zijketens (n _G ), en de ruggengraatstreng (n _x ). Typische lineaire ketenelastomeren zijn "eendimensionale, " vertrouwend op één parameter - de backbone-streng, N _x -als de manier om E en λ . te manipuleren _max .

Om te testen hoe deze drie eigenschappen kunnen worden gemanipuleerd om toegang te krijgen tot combinaties van E en λ _max binnen de "biologische driehoek, "De auteurs gebruikten verschillende PDMS-elastomeren als modelsystemen. Ze begonnen met het meten van de spanning-rekcurves voor een breed scala aan elastomeren om theoretische voorspellingen te bevestigen.

Na het testen van verschillende modelsystemen, de auteurs identificeerden vervolgens correlaties tussen n _sc , N _G , en N _x en de mechanische eigenschappen van het elastomeer. 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.

Eindelijk, 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. Echter, adaptive biological materials, such as lung, spier, 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 Fys.org