Utilisant le contrôle de Nanomechanical pour comprendre le rendement mécanique des biomatériaux

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

Une entrevue conduite avec M. Igor Zlotnikov, conduit par Jake Wilkinson, GCS

Pourquoi êtes-vous intéressé par les propriétés mécaniques des matériaux biologiques ?

Les matériaux biologiques présentent les propriétés mécaniques supérieures relativement à leur grammage si comparés à la majorité de tous les matériaux fabriqués par l'homme. En plus de ceci, les organismes peuvent construire ces matériaux utilisant une palette très limitée. Les propriétés exceptionnelles des matériaux biologiques sont un résultat des architectures compliquées qui ont des caractéristiques de nanoscale. Nous, comme scientifiques, voudrions comprendre ces structures et reproduirions ces matériaux.

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Quelles techniques employez-vous à côté du nanoindentation ?

Pour l'analyse mécanique, nous employons en grande partie le nanoindentation à côté d'une gamme d'autres techniques, qui sont également possibles utilisant un système de Hysitron. Nous effectuons également des expériences utilisant le mappage et l'analyse mécanique dynamique. Nous avions également employé l'étape récent introduite de contrôle de l'environnement, qui nous permet de réaliser les essais nanomechanical sous un environnement contrôlé, qui est extrêmement important pour le tissu biologique. Le tissu biologique devrait être vérifié dans un environnement assimilé à son habitat naturel, il ne semble pas raisonnable de vérifier son rendement quand il est encastré en plastique et desséché.

Pour cette raison, nous exécutons beaucoup de caractérisations sous un environnement contrôlé, avec des soins spécifiques à l'hygrométrie. Supplémentaire, plusieurs des structures sont extrêmement petites qui est pourquoi nous employons des techniques de mappage.  

Comment êtes-vous contrôle nanomechanical de emploi pour étudier les matériaux biologiques ?

La forme la plus fondamentale de la nano-caractérisation de matériaux est basée sur la mesure du module de Young et de la dureté du matériau. Ce n'est pas assez pour les matériaux biologiques, car un grand fonctionnement de leur comportement est basé sur la visco-élasticité.

Des réactions de Visoelastic ne peuvent pas être mesurées utilisant une technique statique, qui est où les analyses dynamiques que nous employons viennent dans utile.

Aviez-vous fait des études sur la formation du tissu ?

C'est un autre aspect de mon laboratoire. Nous nous concentrons sur la caractérisation nanomechanical des structures biologiques et également sur l'étude du biomineralization. Ici, nous essayons de comprendre comment le tissu vivant peut former des architectures minéralisées.

Comment vous attendez-vous à ce que cette recherche influence l'inducteur du biomimetics ?

Je suis en grande partie impliqué dans la recherche fondamentale, détermination comment les matériaux biologiques se comportent et comment ils sont produits, par opposition à produire les matériaux eux-mêmes. Cependant, la recherche fondamentale a un impact important.

Biomimetics est un inducteur extrêmement pluridisciplinaire. Il concerne réunir la connaissance de la chimie, de la biologie, de la science des matériaux et de la physique. Afin de développer une compréhension de la façon dont dur, le tissu biologique est formé, tous ces inducteurs doivent être considérés comme. La biologie des cellules qui forment la structure, la chimie des réactions de minéralisation, et toutes les propriétés mécaniques de la structure donnante droit doivent être connues.

Biomimetics est une passerelle entre la science des matériaux et la bio-ingénierie, et la connaissance entre dans les deux sens. Des techniques de pointe de la science des matériaux sont employées pour comprendre comment des structures biologiques sont formées et comment elles exécutent, et alors cette information est appliquée dans le modèle des matériaux synthétiques.

Sommes-nous près de produire les structures biomimetic avec les propriétés assimilées à celles que nous voyons dans le monde réel ?

C'est une question difficile à répondre. Nous pouvons déjà produire, par certains côtés, les structures assimilées mais nous ne pouvons pas les effectuer économiquement. Elle est chère et exige beaucoup d'effort.

Réciproquement, dans le monde naturel, une structure de shell peut être formée sans devoir appliquer n'importe quelle pression, et à la température ambiante. Nous toujours ne savons pas exact ceci est réalisé par nature, mais nous savons qu'il emploie approche ascendante de ` une', qui signifie que la shell est établie à partir de zéro.

Nous pouvons former les matériaux comme une SHELL synthétiques mais nous devons adopter une approche différente qui concerne beaucoup de technologie chère, et le matériau n'est pas produit dans une large échelle. Ainsi, tandis que nous pouvons produire les structures véritablement biomimetic, nous ne pouvons pas encore les effectuer à l'écaille que la nature fait tellement sans effort, qui est prohibitivement chère

Quel matériel utilisez-vous dans votre recherche ?

Nous employons le système de Hysitron TI-950 dans notre laboratoire, ceci a également l'extension d'analyse dynamique, qui nous permet d'effectuer les tests de mappage. Nous avons une chambre d'humidité ainsi nous pouvons régler l'humidité et la température pendant nos mesures. De plus, nous avons également le PicoIndenter-85. Tels sont les jouets principaux que nous jouons autour avec.

La chambre d'humidité était en particulier essentielle pour notre recherche comme, quand le contrôle des matériaux biologiques, il est important pour rester aux conditions biologiquement appropriées. Nous avons développé la chambre d'humidité avec Hysitron il y a quatre ans. Je travaillais à Potsdam, quand nous avons eu l'idée de construire la chambre et le Hysitron entré en contact. Nous avons fait la première expérience sur le prototype, qui était couronné de succès, et la machine est devenue des deux ans après disponibles dans le commerce.

Au sujet de M. Igor Zlotnikov

M. Igor Zlotnikov a reçu son PhD en scientifique et technique de matériaux de Technion - Institut de Technologie de l'Israël. Il a alors travaillé en tant que boursier post-doctoral et, par la suite, en tant que chercheur indépendant au service des biomatériaux, au Max Planck Institute des colloïdes et aux surfaces adjacentes.

Actuel, il aboutit le groupe « analyse de Multiscale » en CUBE en B - centrez pour la bio-ingénierie moléculaire, Turquie Dresde. Sa recherche se concentre sur la question principale de la façon dont la nature tire profit des principes thermo-dynamiques pour produire des morphologies complexes et sur l'effet entre la physique des matériaux et le contrôle cellulaire dans ce procédé.