Engineering-dehnbare Gel härter als menschliche Knorpel


Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Außerhalb der Krankenhaus-Cafeteria, wo JELL-O® als die unpopuläre Dessert du Jour herrscht, gewinnen Hydrogele (wässrige Gele) Respekt in der medizinischen Gemeinschaft als Ganzes. Mit Mitteln aus der National Science Foundation, hat ein Team von Ingenieuren an der Harvard University, unter der Leitung von Zhigang Suo, Ph.d., eine neue Hydrogel, die eines Tages als ein Ersatzmaterial für beschädigte Knorpel und Bandscheiben verwendet werden könnten.

Die neuen Hydrogel Vorteile sind seine Dehnbarkeit und Zähigkeit. Es kann auf mehr als 20 Mal seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden. Zur gleichen Zeit ist es unglaublich hart im mechanischen Sinne, was bedeutet, dass es eine relativ große Menge an Energie vor plötzlichen Stößen und Erschütterungen vor dem Bruch aufnehmen kann. In der Tat ist das Material fast 10-mal härter als menschliche Knorpel. Was wirklich das Hydrogel, auszeichnet, ist jedoch die Tatsache, dass es "heilen", oder zurück in seine ursprüngliche Form, wodurch es die gleichen Zähigkeit über mehrere Strecken aufrecht zu erhalten.

Eine harte (aber spröde) start

Während die wichtigste Zutat in einem Hydrogel Wasser ist, wird es durch Polymere (Ketten von Molekülen) zusammengehalten. Im Jahr 2003, Pionier Jian Ping Gong, ein Materialwissenschaftler an der Universität Hokkaido in Japan die Idee, zwei Arten von Polymeren: lange und kurzkettigen, in einem Hydrogel. Die Idee war, dass wenn Kraft auf das Gel angewendet wurde, würde die langkettigen Polymer-Netz intakt bleiben und Dehnbarkeit, bieten, während die kurzkettigen Polymernetz Zähigkeit bieten würde.

Aber es ein Problem mit dieser Kombination von Polymeren gab: Sobald die kurzkettigen Netzwerk schließlich brach, das Gel dauerhaft beschädigt wurde und gab es nicht viel, was getan werden könnte, um es zu reparieren. Aber ohne diese kurzkettige Netzwerk, das Gel wurde spröde.

"Wenn eine spröde Gel einen winzigen Riss drin wird, das Gel, sogar mit einer sehr kleinen Last Bruch wird", sagt Jeong-Yun Sun, postdoctoral Fellow in Suo Labor und Erstautor des Forschungsberichts.

Algen-Extrakt Selbstheilung fügt erneuerbare Zähigkeit

Die neuen Hydrogel, erstellt von der Harvard-Team ersetzt das problematische kurzkettige Netzwerk mit Alginat, ein Polymer aus Algen gewonnen. Alginat wird am häufigsten als Verdickungsmittel in Lebensmitteln und Getränken verwendet, sondern findet sich in alles aus Papier, Textilien, Dressings zu verwunden.

Die Forscher wählten Alginat wegen seiner einzigartigen chemischen Struktur. Es wird durch schwache Bindungen zusammengehalten, die brechen und leicht, ein Feature, das es erlaubt nach leicht gestreckt, Self-heal zu reformieren. Allein, standhalten nicht jedoch Alginat eine große Strecke ohne komplett reißen.

Mehr als die Summe seiner Teile

Die Forscher denken, dass in Kombination mit dem langkettigen Gerüst, die hilft, um die Strecke über ein größeres Volumen des Gels zu verbreiten, das Alginat selbstheilende Zähigkeit die neue Verbindung Gele überlegen macht, die nur eine oder die andere enthalten.

Alginat und langkettigen Polymeren verwendet in Suo Hydrogel sind biokompatibel, oder sicher in der Anwendung im menschlichen Körper. Ebenso ist die neuen Hydrogel mit diesen Materialien biokompatibel, nach den Ergebnissen der Voruntersuchungen. Daher kann es möglich sein, neue Wasserstoff in implantierbare medizinische Geräte zu integrieren, die hart, aber flexibel sein müssen.

Das Hydrogel ist auch relativ preiswert und einfach zu produzieren, welche bedeutet, dass Wissenschaftler und Ingenieure auf der ganzen Welt können (und bereits haben) verwenden es für andere Anwendungen außer nur die Hydrogele.

Während Suo spekuliert, dass diese Arbeit für verschiedene Produkte wie Laufschuhe und Fahrradhelme auswirken kann, ist sein Team nächste Schritt, einen genaueren Blick auf wie jede der Komponenten dazu beitragen, die Zähigkeit und Flexibilität des Gels.

"Wir arbeiten sind auf die Veränderung der Inhaltsstoffe des Gels zu erkunden, was neue Verhaltensweisen entstehen, sagt" Suo. "Wir wollen sehen, ob wir seine Eigenschaften weiter verbessern können."

Der Forschungsbericht, sehr dehnbar und zäh Hydrogele, erschien in der Zeitschrift Nature am 6. September 2012.

Anmerkung der Redaktion: Dargestellt, die Forscher in Behind the Scenes Artikel von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt wurden. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.

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