Отчет о результатах был опубликован сегодня в Advanced Materials.
"Представьте себе костный имплантат или мостовидный протез, который может самоусиливаться при приложении большой силы без осмотра и обслуживания.
Это позволит создать более безопасные имплантаты и мосты с минимальными сложностями, затратами и простоями », – говорит Сунг Хун Кан, доцент кафедры машиностроения Института экстремальных материалов Хопкинса и Института нанобиотехнологий Университета Джонса Хопкинса и старший автор исследования.
В то время как другие исследователи пытались создать аналогичные синтетические материалы и раньше, это было непросто, потому что такие материалы сложно и дорого создавать, или они требуют активного обслуживания при их создании и ограничены в том, какое напряжение они могут выдержать.
Использование материалов с адаптируемыми свойствами, таких как древесина и кости, может обеспечить более безопасные конструкции, сэкономить деньги и ресурсы и снизить вредное воздействие на окружающую среду.
Природные материалы могут саморегулироваться за счет использования ресурсов окружающей среды; например, кости используют сигналы клеток, чтобы контролировать добавление или удаление минералов, взятых из крови вокруг них. Вдохновленный этими природными материалами, Канг и его коллеги стремились создать систему материалов, которая могла бы добавлять минералы в ответ на приложенное напряжение.
Команда начала с использования материалов, которые могут преобразовывать механические силы в электрические заряды, в качестве каркасов или опорных конструкций, которые могут создавать заряды, пропорциональные внешней силе, приложенной к ним. Команда надеялась, что эти заряды могут служить сигналами для материалов, чтобы начать минерализацию из минеральных ионов в окружающей среде.
Канг и его коллеги погрузили полимерные пленки из этих материалов в смоделированную физиологическую жидкость, имитирующую ионные концентрации плазмы крови человека. После инкубации материалов в имитируемой жидкости организма на поверхностях начали образовываться минералы.
Команда также обнаружила, что они могут контролировать типы минералов, контролируя ионный состав жидкости.
Затем команда установила балку, закрепленную на одном конце, чтобы постепенно увеличивать нагрузку от одного конца материалов к другому, и обнаружила, что в областях с большей нагрузкой было больше накоплений минералов; высота минерала была пропорциональна квадратному корню из приложенного напряжения.
Их методы, по словам исследователей, просты, дешевы и не требуют дополнительных затрат энергии.
«Наши открытия могут проложить путь к новому классу самовосстанавливающихся материалов, которые могут самоукреплять поврежденные участки», – говорит Канг.
Канг надеется, что эти материалы когда-нибудь можно будет использовать в качестве каркаса для ускорения лечения заболеваний или переломов, связанных с костями, умных смол для стоматологического лечения или других подобных применений.
Кроме того, эти результаты способствуют пониманию учеными динамических материалов и того, как работает минерализация, что может пролить свет на идеальные условия, необходимые для регенерации костей.