Unter Verwendung Nanomechanical-Prüfung, zum der mechanischen Leistungsfähigkeit der Biosubstanzen zu verstehen

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

Ein Interview geleitet mit Dr. Igor Zlotnikov, geleitet mit Jake Wilkinson, MSC

Warum sind Sie an den mechanischen Eigenschaften von biologischen Materialien interessiert?

Biologische Materialien weisen überlegene mechanische Eigenschaften im Verhältnis zu ihrem Gewicht auf, wenn sie mit der Mehrheit aller künstlichen Materialien verglichen werden. Zusätzlich zu diesem können Organismen diese Materialien unter Verwendung einer sehr begrenzten Palette konstruieren. Die außergewöhnlichen Eigenschaften von biologischen Materialien sind ein Ergebnis der verwickelten Architektur, die nanoscale Merkmale haben. Wir, als Wissenschaftler, würden möchten diese Zellen verstehen und diese Materialien reproduzieren.

© Kateryna Kon/Shutterstock.com

Welche Techniken verwenden Sie neben nanoindentation?

Für mechanische Analyse verwenden wir größtenteils nanoindentation neben einer Reichweite anderer Techniken, die auch unter Verwendung einer Hysitron-Anlage möglich sind. Wir führen auch Experimente unter Verwendung des Abbildens und der dynamischen mechanischen Analyse durch. Wir haben auch die vor kurzem eingeführte Umweltregelstufe verwendet, die uns erlaubt, nanomechanical Prüfungen unter einer esteuerten Umgebung durchzuführen, die für biologisches Gewebe extrem wichtig ist. Biologisches Gewebe sollte in einer Umgebung geprüft werden, die seinem natürlichen Lebensraum ähnlich ist, ist es nicht sinnvoll, seine Leistung zu prüfen, wenn es im Plastik eingebettet wird und ausgetrocknet.

Aus diesem Grund führen wir viele Kennzeichnungen unter einer esteuerten Umgebung, mit spezifischer Aufmerksamkeit zur relativen Luftfeuchtigkeit durch. Zusätzlich sind viele der Zellen extrem klein, das ist, warum wir das Abbilden von Techniken verwenden.  

Wie sind Sie die verwendende nanomechanical Prüfung, zum von biologischen Materialien zu studieren?

Die meiste Grundform von Materialien Nano-kennzeichnung basiert auf dem Maß des Elastizitätsmoduls und der Härte des Materials. Dieses ist nicht genug für biologische Materialien, da eine große Funktion ihres Verhaltens auf Viskoelastizität basiert.

Visoelastic-Antworten können nicht unter Verwendung einer statischen Technik gemessen werden, die ist, wo die dynamischen Analysen, die wir verwenden, in nützliches kommen.

Haben Sie irgendwelche Untersuchungen über die Entstehung des Gewebes durchgeführt?

Dieses ist ein anderer Aspekt meines Labors. Wir konzentrieren uns auf der nanomechanical Kennzeichnung von biologischen Zellen und auch auf die Studie von biomineralization. Hier versuchen wir, zu verstehen, wie lebendes Gewebe mineralisierte Architektur bilden kann.

Wie erwarten Sie diese Forschung, um den Bereich von biomimetics auszuwirken?

Ich werde größtenteils in Grundlagenforschung, Bestimmung, wie biologische Materialien sich benehmen und wie sie erstellt werden, im Gegensatz zu dem Erstellen der Materialien selbst miteinbezogen. Jedoch hat Grundlagenforschung eine große Auswirkung.

Biomimetics ist ein extrem multidisziplinärer Bereich. Es bezieht mit ein, Kenntnisse von der Chemie, von der Biologie, von der Materialwissenschaft und von der Physik zusammen zu zeichnen. Um zu entwickeln ein Verständnis von wie stark, biologisches Gewebe gebildet wird, müssen alle diese Bereiche betrachtet werden. Die Biologie der Zellen, die die Zelle bilden, die Chemie der Mineralisierungsreaktionen und alle mechanischen Eigenschaften der resultierenden Zelle müssen bekannt.

Biomimetics ist eine Brücke zwischen Materialwissenschaft und Biotechnik, und Kenntnisse fließen in beide Richtungen. Hochmoderne Techniken von der Materialwissenschaft werden verwendet, um zu verstehen, wie biologische Zellen gebildet werden und wie sie durchführen, und dann sind diese Informationen in die Auslegung von Kunststoffen angewandt.

Sind wir nah an dem Erstellen von biomimetic Zellen mit ähnlichen Eigenschaften zu den, die wir in der wirklichen Welt sehen?

Dieses ist eine schwierige zu antworten Frage. Wir können ähnliche Zellen bereits irgendwie erstellen, aber wir können sie nicht wirtschaftlich machen. Es ist teuer und erfordert viel Bemühung.

Andererseits in der natürlichen Welt, kann eine Shellzelle gebildet werden, ohne zu müssen, jeden möglichen Druck anzuwenden und bei Raumtemperatur. Wir noch können nicht genau, dieses von Natur aus erzielt wird, aber wir wissen, dass es einen ` bottom-up-' Anflug verwendet, der bedeutet, dass das Shell von Grund auf neu aufgebaut wird.

Wir können synthetische Shell ähnliche Materialien bilden, aber wir müssen einen anderen Anflug nehmen, der viel teure Technologie miteinbezieht, und das Material wird nicht in einem großen Umfang produziert. So während wir wirklich biomimetic Zellen produzieren können, können wir sie nicht an der Schuppe noch machen, die Natur so mühelos tut, die kostspielig teuer ist

Welches Gerät verwenden Sie in Ihrer Forschung?

Wir verwenden die Anlage Hysitron TI-950 in unserem Labor, dieses haben auch die Zusatzhardware der dynamischen Analyse, die uns erlaubt, die abbildenden Prüfungen zu machen. Wir haben eine Feuchtigkeitskammer, also können wir Feuchtigkeit und Temperatur während unserer Maße steuern. Darüber hinaus haben wir auch das PicoIndenter-85. Die sind die Hauptspielwaren, die wir herum mit spielen.

Die Feuchtigkeitskammer war insbesondere für unsere Forschung entscheidend, wie, wenn, biologische Materialien, es zu prüfen wichtig ist, an den biologisch relevanten Bedingungen zu bleiben. Vor wir entwickelten die Feuchtigkeitskammer mit Hysitron vier Jahren. Ich arbeitete in Potsdam, als wir die Idee des Konstruierens der Kammer und des in Kontakt gebrachten Hysitron hatten. Wir taten das erste Experiment auf dem Prototyp, der erfolgreich war, und die Maschine wurde handelsübliche zwei Jahre später.

Über Dr. Igor Zlotnikov

Dr. Igor Zlotnikov empfing seinen Doktor in der Material-Wissenschaft und der Technik von Technion - Israel-Fachhochschule. Er arbeitete dann als promovierter wissenschaftlicher Mitarbeiter und nachfolgend als unabhängiger Forscher an der Abteilung von Biosubstanzen, am Max Planck Institute von Kolloiden und an den Schnittstellen.

Aktuell führt er die Gruppe „Multiscale-Analyse“ in b-WÜRFEL - zentrieren Sie für molekulare Biotechnik, TU Dresden. Seine Forschungsschwerpunkte auf der grundlegenden Frage von, wie Natur thermodynamische Prinzipien nutzt, um komplexe Morphologien und auf der Wechselwirkung zwischen Physik von Materialien und zellulärer Regelung in diesem Prozess zu erzeugen.