Geïnspireerd door hoe menselijk bot en kleurrijke koraalriffen minerale afzettingen aanpassen aan hun omgeving, Johns Hopkins-onderzoekers hebben een zelfaanpassend materiaal gemaakt dat zijn stijfheid kan veranderen als reactie op de uitgeoefende kracht. Deze vooruitgang kan op een dag de deuren openen voor materialen die zichzelf kunnen versterken om zich voor te bereiden op meer kracht of verdere schade te stoppen. Een rapport van de bevindingen werd vandaag gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

"Stel je een botimplantaat of een brug voor die zichzelf kan versterken waar een grote kracht wordt uitgeoefend zonder inspectie en onderhoud. Het zal veiligere implantaten en bruggen mogelijk maken met minimale complicaties, kosten en stilstand, " zegt Sung Hoon Kang, een assistent-professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde, Hopkins Extreme Materials Institute, en Instituut voor NanoBioTechnology aan de Johns Hopkins University en de senior auteur van de studie.

Terwijl andere onderzoekers eerder hebben geprobeerd soortgelijke synthetische materialen te maken, dit was een uitdaging omdat dergelijke materialen moeilijk en duur zijn om te maken, of vereisen actief onderhoud wanneer ze worden gemaakt en zijn beperkt in de hoeveelheid stress die ze kunnen dragen. Met materialen met aanpasbare eigenschappen, zoals die van hout en been, kan zorgen voor veiligere constructies, geld en middelen besparen, en de schadelijke impact op het milieu te verminderen.

Natuurlijke materialen kunnen zichzelf reguleren door hulpbronnen in de omgeving te gebruiken; bijvoorbeeld, botten gebruiken celsignalen om de toevoeging of verwijdering van mineralen uit het bloed om hen heen te regelen. Geïnspireerd door deze natuurlijke materialen, Kang en collega's probeerden een materiaalsysteem te creëren dat mineralen kon toevoegen als reactie op uitgeoefende stress.

Het team begon met het gebruik van materialen die mechanische krachten kunnen omzetten in elektrische ladingen als steigers, of ondersteunende structuren, die ladingen kan creëren die evenredig zijn aan de externe kracht die erop wordt uitgeoefend. De hoop van het team was dat deze ladingen zouden kunnen dienen als signalen voor de materialen om mineralisatie van minerale ionen in het milieu te starten.

Kang en collega's dompelden polymeerfilms van deze materialen onder in een gesimuleerde lichaamsvloeistof die ionische concentraties van menselijk bloedplasma nabootste. Nadat de materialen in de gesimuleerde lichaamsvloeistof zijn geïncubeerd, mineralen begonnen zich op de oppervlakken te vormen. Het team ontdekte ook dat ze de soorten mineralen konden beheersen die werden gevormd door de ionensamenstelling van de vloeistof te regelen.

Het team zette vervolgens een balk op die aan het ene uiteinde was verankerd om geleidelijk de spanning van het ene uiteinde van de materialen naar het andere te verhogen en ontdekte dat regio's met meer stress meer minerale opbouw hadden; de minerale hoogte was evenredig met de vierkantswortel van de uitgeoefende spanning.

Hun methoden, zeggen de onderzoekers, zijn eenvoudig, goedkoop en vereisen geen extra energie.

"Onze bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor een nieuwe klasse van zelfherstellende materialen die beschadigde gebieden zelf kunnen versterken, ", zegt Kang. Kang hoopt dat deze materialen op een dag kunnen worden gebruikt als steigers om de behandeling van botgerelateerde ziekten of fracturen te versnellen, slimme harsen voor tandheelkundige behandelingen of andere soortgelijke toepassingen.

Aanvullend, deze bevindingen dragen bij aan het begrip van wetenschappers van dynamische materialen en hoe mineralisatie werkt, die licht zou kunnen werpen op ideale omgevingen die nodig zijn voor botregeneratie.