Para o experimento da equipe JHU, o aumento da força (seta apontando para baixo) aplicada no material levou a mais cargas elétricas, e assim, mais mineralização. Crédito:Pam Li / Universidade Johns Hopkins
Inspirado em como o osso humano e os recifes de coral coloridos ajustam os depósitos minerais em resposta aos ambientes circundantes, Os pesquisadores da Johns Hopkins criaram um material auto-adaptável que pode alterar sua rigidez em resposta à força aplicada. Esse avanço pode algum dia abrir as portas para materiais que podem se auto-reforçar para se preparar para o aumento da força ou impedir mais danos. Um relatório das descobertas foi publicado hoje em Materiais avançados .
"Imagine um implante ósseo ou uma ponte que pode se auto-reforçar onde uma grande força é aplicada sem inspeção e manutenção. Isso permitirá implantes e pontes mais seguros com complicações mínimas, custo e tempo de inatividade, "diz Sung Hoon Kang, um professor assistente no Departamento de Engenharia Mecânica, Hopkins Extreme Materials Institute, e o Institute for NanoBioTechnology da The Johns Hopkins University e o autor sênior do estudo.
Embora outros pesquisadores tenham tentado criar materiais sintéticos semelhantes antes, fazer isso tem sido um desafio porque esses materiais são difíceis e caros de criar, ou requerem manutenção ativa quando são criados e são limitados em quanto estresse podem suportar. Tendo materiais com propriedades adaptáveis, como os de madeira e osso, pode fornecer estruturas mais seguras, economize dinheiro e recursos, e reduzir o impacto ambiental prejudicial.
Os materiais naturais podem se autorregular usando recursos do ambiente circundante; por exemplo, os ossos usam sinais celulares para controlar a adição ou remoção de minerais retirados do sangue ao seu redor. Inspirado por esses materiais naturais, Kang e seus colegas procuraram criar um sistema de materiais que pudesse adicionar minerais em resposta ao estresse aplicado.
A equipe começou usando materiais que podem converter forças mecânicas em cargas elétricas como andaimes, ou estruturas de suporte, que pode criar cargas proporcionais à força externa colocada sobre ele. A esperança da equipe era que essas cargas pudessem servir como sinais para que os materiais começassem a mineralização de íons minerais no meio ambiente.
Para o experimento da equipe JHU, o aumento da força (seta apontando para baixo) aplicada no material levou a mais cargas elétricas, e assim, mais mineralização. Crédito:Pam Li / Johns Hopkins University Mais estresse colocado em uma extremidade do feixe levou a mais mineralização. À medida que o estresse diminui gradualmente ao longo da viga, o mesmo aconteceu com a quantidade de mineralização. Crédito:Sung Hoon Kang
Kang e seus colegas imergiram filmes de polímero desses materiais em um fluido corporal simulado que imita as concentrações iônicas de plasma de sangue humano. Após os materiais incubados no fluido corporal simulado, minerais começaram a se formar nas superfícies. A equipe também descobriu que eles podiam controlar os tipos de minerais formados controlando a composição de íons do fluido.
A equipe então montou uma viga ancorada em uma extremidade para aumentar gradualmente a tensão de uma extremidade dos materiais para a outra e descobriu que as regiões com mais tensão tinham mais acúmulo de minerais; a altura do mineral foi proporcional à raiz quadrada da tensão aplicada.
Seus métodos, os pesquisadores dizem, são simples, baixo custo e não requer energia extra.
"Nossas descobertas podem abrir caminho para uma nova classe de materiais autorregeneráveis que podem se auto-reforçar as áreas danificadas, "diz Kang. Kang espera que esses materiais possam algum dia ser usados como andaimes para acelerar o tratamento de fraturas ou doenças relacionadas aos ossos, resinas inteligentes para tratamentos dentários ou outras aplicações semelhantes.
Adicionalmente, essas descobertas contribuem para a compreensão dos cientistas de materiais dinâmicos e como funciona a mineralização, que poderia lançar luz sobre os ambientes ideais necessários para a regeneração óssea.
