Het gebruiken van het Testen Nanomechanical om de Mechanische Efficiency van Biologisch materialen te begrijpen

Thought LeadersDr Igor ZlotnikovGroup Leader "Multiscale Analysis"
Center for Molecuar and Cellular Bioengineering
Technische Universität Dresden

Een gesprek met Dr. Igor die Zlotnikov wordt geleid, leidde door Jake Wilkinson, MSc

Waarom bent u geinteresseerd in de mechanische eigenschappen van biologische materialen?

De biologische materialen stellen superieure mechanische eigenschappen met betrekking tot hun gewicht tentoon wanneer vergeleken bij de meerderheid van alle kunstmatige materialen. Naast dit, kunnen de organismen deze materialen construeren gebruikend een zeer beperkt palet. De uitzonderlijke eigenschappen van biologische materialen zijn een resultaat van ingewikkelde architectuur die nanoscale eigenschappen heeft. Wij, als wetenschappers, zouden deze structuren willen begrijpen en zouden deze materialen reproduceren.

© Kateryna Kon/Shutterstock.com

Welke technieken gebruikt u naast nanoindentation?

Voor mechanische analyse, gebruiken wij meestal nanoindentation naast een waaier van andere technieken, die ook mogelijk gebruikend een systeem Hysitron zijn. Wij voeren ook experimenten uit gebruikend de afbeelding en de dynamische mechanische analyse. Wij hebben ook het onlangs geïntroduceerde milieucontrolestadium gebruikt, dat ons toestaat om nanomechanical tests onder een gecontroleerd milieu uit te voeren, dat voor biologisch weefsel uiterst belangrijk is. Het biologische weefsel zou in een omgeving moeten worden getest gelijkend op zijn natuurlijke habitat, houdt het geen steek om zijn prestaties te testen wanneer het in plastic wordt ingebed en uitgedroogd.

Om deze reden, voeren wij vele karakteriseringen onder een gecontroleerd milieu, met specifieke aandacht uit aan relatieve vochtigheid. Bovendien, zijn veel van de structuren uiterst klein wat is waarom wij afbeeldingstechnieken gebruiken.  

Hoe gebruikt u het nanomechanical testen om biologische materialen te bestuderen?

De meest basisvorm van materialen nano-karakterisering is gebaseerd op de meting van de de modulus en hardheid van de Jongelui van het materiaal. Dit is niet genoeg voor biologische materialen, aangezien een grote functie van hun gedrag op visco-elasticiteit gebaseerd is.

De reacties van Visoelastic kunnen niet worden gemeten gebruikend een statische techniek, die is waar de dynamische analyses die wij gebruiken in nuttig komen.

Hebt u om het even welke studies over de vorming van weefsel gedaan?

Dit is een ander aspect van mijn laboratorium. Wij concentreren ons zowel op de nanomechanical karakterisering van biologische structuren als ook op de studie van biomineralization. Hier, proberen wij om te begrijpen hoe het leven het weefsel gemineraliseerde architectuur kan vormen.

Hoe verwacht dat u dit onderzoek beïnvloedt het gebied van biomimetics?

Ik ben meestal betrokken bij fundamenteel onderzoek, die hoe de biologische materialen zich bepalen gedragen en hoe zij, in tegenstelling tot het creëren van de materialen zelf worden gecreeerd. Nochtans, heeft het fundamentele onderzoek een grote invloed.

Biomimetics is een uiterst multidisciplinair gebied. Het impliceert zich het samentrekken van kennis van chemie, biologie, materialenwetenschap en fysica. om een inzicht in te ontwikkelen hoe het harde, biologische weefsel wordt gevormd, moeten elk van deze gebieden worden overwogen. De biologie van de cellen die de structuur, de chemie van de mineraliseringsreacties, en de mechanische eigenschappen van de resulterende structuur al behoefte om worden het geweten vormen.

Biomimetics is een brug tussen materialenwetenschap en biotechniek, en kennisstromen in beide richtingen. De technieken van het overzicht van materialenwetenschap worden gebruikt om te begrijpen hoe de biologische structuren worden gevormd en hoe zij presteren, en dan wordt deze informatie toegepast in het ontwerp van synthetische materialen.

Zijn wij dicht bij het creëren biomimetic structuren met gelijkaardige eigenschappen aan degenen die wij in de echte wereld zien?

Dit is een moeilijke te beantwoorden vraag. Wij kunnen, op één of andere manier, gelijkaardige structuren reeds tot stand brengen maar wij kunnen niet hen economisch maken. Het is duur en vereist heel wat inspanning.

Omgekeerd, in de natuurlijke wereld, kan een shell structuur zonder het moeten enige druk toepassen, en bij omgevingstemperatuur worden gevormd. Wij nog weten precies niet hoe dit door aard wordt bereikt, maar wij weten dat het een bottom-up' benadering ` gebruikt, wat betekent shell van kras wordt gebouwd.

Wij kunnen synthetische SHELL-als materialen vormen maar wij moeten een verschillende benadering kiezen die heel wat dure technologie impliceert, en het materiaal wordt niet geproduceerd in een grote schaal. Zo, terwijl wij echt biomimetic structuren kunnen veroorzaken, kunnen wij hen bij de schaal nog niet maken die de aard dit moeiteloos doet, wat remmend duur is

Welk materiaal gebruikt u in uw onderzoek?

Wij gebruiken Hysitron Ti-950 systeem in ons laboratorium, heeft dit ook de dynamische analyse rand, die ons toestaat om de afbeeldingstests te maken. Wij hebben een vochtigheidskamer zodat kunnen wij vochtigheid en temperatuur tijdens onze metingen controleren. Bovendien hebben wij ook picoIndenter-85. Die zijn het belangrijkste speelgoed dat wij rond hebben gespeeld met.

De vochtigheidskamer was in het bijzonder essentieel voor ons onderzoek als, wanneer testend biologische materialen, het belangrijk om bij biologisch relevante voorwaarden is te blijven. Wij ontwikkelden de vochtigheidskamer met Hysitron vier jaar geleden. Ik werkte in Potsdam, toen wij het idee van het construeren van de kamer hadden en Hysitron contacteerden. Wij deden het eerste experiment op het prototype, dat succesvol was, en de machine werd in de handel verkrijgbare twee later jaar.

Ongeveer Dr. Igor Zlotnikov

Dr. Igor Zlotnikov ontving zijn Doctoraat in de Wetenschap en de Techniek van Materialen van Technion - Instituut van Israël van Technologie. Hij werkte toen als Post-doctorale Kameraad en, later, als Onafhankelijke Onderzoeker bij het Ministerie van Biologisch materialen, Max Planck Institute van Colloïden en Interfaces.

Momenteel, leidt hij de groep de „Analyse van Multiscale“ in de KUBUS van B - centreer voor Moleculaire Biotechniek, Turkije Dresden. Zijn onderzoek concentreert zich op de fundamentele kwestie van hoe de aard uit thermodynamische principes voordeel haalt om de complexe morfologie en op de interactie tussen fysica van materialen en cellulaire controle in dit proces te produceren.