p Programação de desempenho mecânico. uma, A diversidade mecânica de materiais biológicos e sintéticos é ilustrada por curvas de tensão de tração uniaxial, que revelam combinações de propriedades que variam de "rígida e quebradiça" a "macia e elástica" quando o material sofre extensão de um comprimento inicial L0 para o comprimento L. b, Muitos materiais (predominantemente sintéticos) são caracterizados pela "regra de ouro":uma relação inversa entre o alongamento na ruptura e o módulo de Young, conforme mostrado aqui. c, O grau de polimerização (nx) dos fios da rede em elastômeros de cadeia linear convencionais resulta em uma relação universal, que confina o comportamento mecânico dos elastômeros a uma única linha de tendência (linha grossa), com um limite inferior imposto por emaranhados de cadeia (onde E é cerca de 10
5
Pa) e um valor superior para λmax de cerca de 5 (círculo grosso). d, Fluxograma que descreve como replicamos propriedades mecânicas específicas de tecidos biológicos em elastômeros semelhantes a escova. Crédito:(c) Natureza (2017). DOI:10.1038 / nature23673
p (Phys.org) —Materiais biológicos, como ossos e músculos, tendem a ter uma ampla faixa de elasticidade e rigidez, diferente dos materiais sintéticos. Em geral, com materiais sintéticos, à medida que a rigidez aumenta, elasticidade diminui. Materiais biológicos, por outro lado, não exibem tal relacionamento direto. Há muito interesse em encontrar materiais que imitem materiais biológicos para uso como próteses e outras funções. Um desses materiais é o polímero de escova de garrafas. p Pesquisadores da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill, Universidade de Akron, e a Carnegie Mellon University procuraram delinear a rigidez e extensibilidade disponíveis com polímeros de escova de garrafas e sugerir uma estratégia geral para o ajuste fino de três características do polímero de escova de garrafas para imitar as propriedades mecânicas de tecidos biológicos. A carta deles pode ser encontrada
Natureza .
p Os elastômeros sintéticos tendem a seguir a "regra de ouro" dos objetos materiais. Conforme a rigidez do material aumenta (E), sua extensibilidade (ou alongamento máximo, λ
max ) diminui. O intervalo de possíveis E e λ
max é definido principalmente pela composição química da estrutura do polímero.
p Os materiais biológicos não obedecem a essa "regra de ouro". Eles habitam o que os autores chamam de "triângulo biológico" de E e λ
max combinações atualmente inacessíveis para materiais sintéticos. Além disso, o E e λ disponíveis
max não obedeça a uma relação estritamente inversa. Verificou-se que os polímeros de escova têm rigidez e flexibilidade mais semelhantes aos sistemas biológicos. Adicionalmente, polímeros comb e copolímeros tribloco podem ser empregados para ajustar a arquitetura do polímero.
p Por meio de reticulação, macromoléculas de escova de garrafas podem produzir uma rede de polímero sem solvente. Em outras palavras, eles são elastômeros que respondem prontamente a um campo eletrostático mudando de forma. Trabalhos anteriores deste grupo identificaram e sintetizaram este tipo especial de elastômero. Ao contrário de outros tipos de polímeros eletrostáticos, os elastômeros de escova de garrafas respondem a um campo elétrico relativamente pequeno e não requerem pré-tensionamento.
p Uma propriedade chave dos elastômeros de escova de garrafas é sua rigidez e extensibilidade, E e λ
max , são controlados de forma independente por três parâmetros arquitetônicos:o grau de polimerização das cadeias laterais (n
sc ), o espaçador entre as cadeias laterais vizinhas (n
g ), e a cadeia de backbone (n
x ) Elastômeros de cadeia linear típicos são "unidimensionais, "confiando em um parâmetro - a cadeia de backbone, n
x —Como a maneira de manipular E e λ
max .
p A fim de testar como manipular essas três propriedades para acessar combinações de E e λ
max dentro do "triângulo biológico, "os autores usaram vários elastômeros PDMS como sistemas modelo. Eles começaram medindo as curvas de tensão-deformação para uma ampla gama de elastômeros para corroborar as previsões teóricas.
p Depois de testar vários sistemas de modelo, os autores, então, identificaram correlações entre n
sc , n
g , e n
x and the elastomer's mechanical properties. They found that there were four distinct correlations between E and λ
max for several combinations of n
sc , n
g , and n
x :1) E decreases as λ
max increases (the typical relationship seen in synthetic polymers), 2) a concurrent decrease in E and λ
max , 3) E varies while λ
max stays constant, and 4) λ
max varies while E stays constant.
p Finalmente, taking these correlations, the authors then devised rules for choosing the right combination of n
sc , n
g , and 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
sc , n
g , and n
x to provide a code for choosing the right combination for a particular E and λ
max pair.
p 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. Contudo, adaptive biological materials, such as lung, muscle, and artery tissue, revealed synthetically prohibitive n
sc , n
g , n
x triplets. To overcome this, 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.
p 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. p © 2017 Phys.org
