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新的受生物启发的材料可能会变形为外力

2021-08-19 来源:莆田机械信息网

新的受生物启发的材料可能会“变形”为外力

受到人类骨骼和色彩缤纷的珊瑚礁如何根据周围环境调整矿物质沉积的启发,约翰·霍普金斯大学的研究人员创造了一种自适应材料,可以根据施加的力改变其刚度。这种进步有一天可以为可以自我增强以准备增加力或阻止进一步损坏的材料打开大门。

研究结果的报告今天在“高级材料”中发表中国机械网okmao.com。

“想象一下在无需检查和维护的情况下施加力的情况下可以自我增强的骨植入物或牙桥。它将使植入物和牙桥更安全,并且并发症,成本和停机时间降至最低,” Sung Hoon Kang教授说道。霍普金斯大学极限材料研究所机械工程系以及约翰·霍普金斯大学纳米生物技术研究所和该研究的资深作者。

尽管其他研究人员此前曾尝试制造类似的合成材料,但这样做颇具挑战性,因为此类材料制造起来既困难又昂贵,或者在制造时需要主动维护,并且承受的压力有限。具有木材和骨头等具有适应性的材料可以提供更安全的结构,节省资金和资源,并减少有害的环境影响。

天然材料可以通过利用周围环境中的资源进行自我调节;例如,骨骼使用细胞信号来控制从周围血液中摄取的矿物质的添加或去除。受到这些天然材料的启发,Kang及其同事寻求创建一种材料系统,该系统可以在施加压力的情况下添加矿物质。

该团队首先使用可以将机械力转换为电荷的材料作为脚手架或支撑结构,这些材料可以产生与施加在其上的外力成比例的电荷。研究小组希望这些电荷可以作为材料从环境中的矿物质离子开始矿化的信号。

Kang和同事将这些材料的聚合物膜浸入模拟人体血浆离子浓度的模拟体液中。材料在模拟体液中孵育后,矿物质开始在表面形成。研究小组还发现,他们可以通过控制流体的离子组成来控制形成的矿物质的类型。

然后,研究小组在一端固定了一根梁,以逐渐增加从材料的一端到另一端的应力,发现应力更大的区域会有更多的矿物堆积。矿物高度与所施加应力的平方根成正比。

研究人员说,他们的方法简单,低成本且不需要额外的能量。

康说:“我们的发现可以为新型的自我再生材料铺平道路,这些材料可以自我加固受损区域。” Kang希望这些材料有朝一日能够用作支架,以加快骨相关疾病或骨折的治疗速度;用于牙科治疗或其他类似应用的智能树脂。

此外,这些发现有助于科学家对动态材料以及矿化作用的理解,从而为骨骼再生所需的理想环境提供启示。

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