Programmazione delle prestazioni meccaniche. un, La diversità meccanica dei materiali biologici e sintetici è illustrata dalle curve sforzo-deformazione uniassiali di trazione, che rivelano combinazioni di proprietà che vanno da "rigido e fragile" a "morbido ed elastico" quando il materiale subisce un'estensione da una lunghezza iniziale L0 a una lunghezza L. b, Molti materiali (prevalentemente sintetici) sono caratterizzati dalla "regola d'oro":una relazione inversa tra allungamento a rottura e modulo di Young, come mostrato qui. C, Il grado di polimerizzazione (nx) dei trefoli di rete negli elastomeri a catena lineare convenzionali risulta in una relazione universale, che confina il comportamento meccanico degli elastomeri ad un'unica linea di tendenza (linea spessa), con un limite inferiore imposto dagli intrecci di catena (dove E è circa 10 5 Pa) e un valore superiore per max di circa 5 (cerchio spesso). D, Diagramma di flusso che descrive come replichiamo proprietà meccaniche specifiche dei tessuti biologici in elastomeri simili a spazzole. Credito:(c) Natura (2017). DOI:10.1038/natura23673
(Phys.org)—I materiali biologici come ossa e muscoli tendono ad avere un'ampia gamma di elasticità e rigidità che è diversa dai materiali sintetici. Generalmente, con materiali sintetici, all'aumentare della rigidità, l'elasticità diminuisce. Materiali biologici, d'altra parte, non mostrano un rapporto così diretto. C'è molto interesse nel trovare materiali che imitano i materiali biologici da usare come protesi e altre funzioni. Uno di questi materiali è il polimero dello scovolino.
Ricercatori dell'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill, Università di Akron, e la Carnegie Mellon University hanno cercato di delineare la rigidità e l'estensibilità disponibili con i polimeri a scovolino e suggerire una strategia generale per mettere a punto tre caratteristiche del polimero a scovolino per imitare le proprietà meccaniche dei tessuti biologici. La loro lettera può essere trovata Natura .
Gli elastomeri sintetici tendono a seguire la "regola d'oro" degli oggetti materiali. All'aumentare della rigidità del materiale (E), la sua estensibilità (o allungamento massimo, ? max ) diminuisce. La gamma di possibili E e λ max è principalmente definito dalla composizione chimica della struttura polimerica.
I materiali biologici non obbediscono a questa "regola d'oro". Abitano quello che gli autori chiamano il "triangolo biologico" di E e λ max combinazioni attualmente inaccessibili per i materiali sintetici. Per di più, le E e λ available disponibili max non obbediscono a una relazione strettamente inversa. È stato scoperto che i polimeri a spazzola hanno rigidità e flessibilità più simili ai sistemi biologici. Inoltre, polimeri a pettine e copolimeri triblocco possono essere impiegati per regolare l'architettura del polimero.
Attraverso la reticolazione, macromolecole a scovolino possono produrre una rete polimerica priva di solventi. In altre parole, sono elastomeri che rispondono prontamente ad un campo elettrostatico cambiando forma. Il lavoro precedente di questo gruppo ha identificato e sintetizzato questo speciale tipo di elastomero. A differenza di altri tipi di polimeri elettrostatici, gli elastomeri a scovolino rispondono a un campo elettrico relativamente piccolo e non richiedono pre-deformazione.
Una proprietà chiave degli elastomeri per scovolini è la loro rigidità ed estensibilità, E e max , sono controllati indipendentemente da tre parametri architetturali:il grado di polimerizzazione delle catene laterali (n ns ), il distanziale tra catene laterali adiacenti (n G ), e il filamento della spina dorsale (n X ). I tipici elastomeri a catena lineare sono "unidimensionali, " basandosi su un parametro:il filamento della spina dorsale, n X —come modo per manipolare E e λ max .
Per testare come manipolare queste tre proprietà per accedere a combinazioni di E e λ max all'interno del "triangolo biologico, Gli autori hanno utilizzato vari elastomeri PDMS come sistemi modello. Hanno iniziato misurando le curve sforzo-deformazione per un'ampia gamma di elastomeri per corroborare le previsioni teoriche.
Dopo aver testato diversi sistemi modello, gli autori hanno poi identificato correlazioni tra n ns , n G , e n X e le proprietà meccaniche dell'elastomero. Hanno scoperto che c'erano quattro correlazioni distinte tra E e λ max per più combinazioni di n ns , n G , e n X :1) E diminuisce come λ max aumenta (il tipico rapporto visto nei polimeri sintetici), 2) una contemporanea diminuzione di E e λ max , 3) E varia mentre λ max rimane costante, e 4) max varies while E stays constant.
Finalmente, taking these correlations, the authors then devised rules for choosing the right combination of n ns , n G , e 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 ns , n G , e 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. Però, adaptive biological materials, such as lung, muscolo, and artery tissue, revealed synthetically prohibitive n ns , n G , n X triplets. Per superare questo, 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.
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