Für das Experiment des JHU-Teams führte eine erhöhte Kraft (Pfeil nach unten) auf das Material zu mehr elektrischen Ladungen und damit zu mehr Mineralisierung. Bildnachweis: Pam Li / Johns Hopkins University

Inspiriert davon, wie menschlicher Knochen und bunte Korallenriffe Mineralablagerungen an ihre Umgebung anpassen, haben Johns Hopkins-Forscher ein sich selbst anpassendes Material entwickelt, das seine Steifheit als Reaktion auf die ausgeübte Kraft ändern kann. Dieser Fortschritt kann eines Tages die Türen für Materialien öffnen, die sich selbst verstärken können, um sich auf eine erhöhte Kraft vorzubereiten oder weiteren Schaden zu stoppen. Ein Bericht über die Ergebnisse wurde heute in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.

„Stellen Sie sich ein Knochenimplantat oder eine Brücke vor, die sich selbst verstärken kann, wenn eine hohe Kraft ohne Inspektion und Wartung angewendet wird. Sie ermöglicht sicherere Implantate und Brücken mit minimalen Komplikationen, Kosten und Ausfallzeiten“, sagt Sung Hoon Kang, Assistenzprofessor am Fakultät für Maschinenbau, Hopkins Extreme Materials Institute und Institut für NanoBioTechnology an der Johns Hopkins University und leitender Autor der Studie.

Während andere Forscher zuvor versucht haben, ähnliche synthetische Materialien herzustellen, war dies eine Herausforderung, da solche Materialien schwierig und teuer herzustellen sind oder bei ihrer Herstellung eine aktive Wartung erfordern und nur begrenzt belastet werden können. Materialien mit anpassungsfähigen Eigenschaften wie Holz und Knochen können sicherere Strukturen bieten, Geld und Ressourcen sparen und schädliche Umweltauswirkungen verringern.

Natürliche Materialien können sich selbst regulieren, indem sie Ressourcen in der Umgebung nutzen. Beispielsweise verwenden Knochen Zellsignale, um die Zugabe oder Entfernung von Mineralien aus dem Blut um sie herum zu steuern. Inspiriert von diesen natürlichen Materialien versuchten Kang und Kollegen, ein Materialsystem zu schaffen, das Mineralien als Reaktion auf angewandten Stress hinzufügen kann.

Das Team begann mit der Verwendung von Materialien, die mechanische Kräfte in elektrische Ladungen umwandeln können, als Gerüste oder Stützstrukturen, die Ladungen erzeugen können, die proportional zu der auf sie ausgeübten externen Kraft sind. Das Team hoffte, dass diese Ladungen als Signale für die Materialien dienen könnten, um die Mineralisierung aus Mineralionen in der Umwelt zu starten.

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Für das Experiment des JHU-Teams führte eine erhöhte Kraft (Pfeil nach unten) auf das Material zu mehr elektrischen Ladungen und damit zu mehr Mineralisierung. Bildnachweis: Pam Li / Johns Hopkins University Mehr Belastung an einem Ende des Trägers führte zu mehr Mineralisierung. Als die Spannung über den Balken allmählich abnahm, nahm auch die Mineralisierungsmenge ab. Bildnachweis: Sung Hoon Kang

Kang und Kollegen tauchten Polymerfilme dieser Materialien in eine simulierte Körperflüssigkeit, die die Ionenkonzentrationen von menschlichem Blutplasma nachahmt. Nachdem die Materialien in der simulierten Körperflüssigkeit inkubiert worden waren, begannen sich Mineralien auf den Oberflächen zu bilden. Das Team entdeckte auch, dass sie die Arten von Mineralien kontrollieren konnten, die durch Kontrolle der Ionenzusammensetzung der Flüssigkeit gebildet wurden.

Das Team stellte dann einen Balken auf, der an einem Ende verankert war, um die Spannung von einem Ende des Materials zum anderen allmählich zu erhöhen, und stellte fest, dass Regionen mit mehr Spannung mehr Mineralien aufwiesen. Die Mineralhöhe war proportional zur Quadratwurzel der angelegten Spannung.

Ihre Methoden, sagen die Forscher, sind einfach, kostengünstig und erfordern keine zusätzliche Energie.

„Unsere Ergebnisse können den Weg für eine neue Klasse von sich selbst regenerierenden Materialien ebnen, die beschädigte Bereiche selbst verstärken können“, sagt Kang. Kang hofft, dass diese Materialien eines Tages als Gerüst verwendet werden können, um die Behandlung von Knochenerkrankungen oder -brüchen, intelligenten Harzen für Zahnbehandlungen oder anderen ähnlichen Anwendungen zu beschleunigen.

Darüber hinaus tragen diese Ergebnisse zum Verständnis der Wissenschaftler für dynamische Materialien und zur Funktionsweise der Mineralisierung bei, was Aufschluss über ideale Umgebungen geben könnte, die für die Knochenregeneration erforderlich sind.