Usando o teste de Nanomechanical para compreender a eficiência mecânica dos matérias biológicos

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

Uma entrevista conduzida com Dr. Igor Zlotnikov, conduzido por Jake Wilkinson, CAM

Por que está você interessado nas propriedades mecânicas de materiais biológicos?

Os materiais biológicos exibem propriedades mecânicas superiores relativo a seu peso quando comparados à maioria de todos os materiais sintéticos. Além do que isto, os organismos podem construir estes materiais usando uma paleta muito limitada. As propriedades excepcionais de materiais biológicos são um resultado das arquiteturas intrincadas que têm características do nanoscale. Nós, como cientistas, gostaríamos de compreender estas estruturas e reproduziríamos estes materiais.

© Kateryna Kon/Shutterstock.com

Que técnicas você usa ao lado do nanoindentation?

Para a análise mecânica, nós usamos na maior parte o nanoindentation ao lado de uma escala de outras técnicas, que são igualmente possíveis usando um sistema de Hysitron. Nós igualmente executamos experiências usando o traço e a análise mecânica dinâmica. Nós temos usado igualmente a fase recentemente introduzida do controle ambiental, que permite que nós executem testes nanomechanical sob um ambiente controlado, que seja extremamente importante para o tecido biológico. O tecido biológico deve ser testado em um ambiente similar a seu habitat natural, não faz o sentido testar seu desempenho quando é encaixado no plástico e secado.

Por este motivo, nós executamos muitas caracterizações sob um ambiente controlado, com a atenção específica à humidade relativa. Adicionalmente, muitas das estruturas são extremamente pequenas que é porque nós usamos o traço de técnicas.  

Como você está usando o teste nanomechanical para estudar materiais biológicos?

O formulário o mais básico da nano-caracterização dos materiais é baseado na medida do módulo Young e da dureza do material. Este não é bastante para materiais biológicos, porque uma grande função de seu comportamento é baseada no viscoelasticity.

As respostas de Visoelastic não podem ser medidas usando uma técnica estática, que seja onde as análises dinâmicas que nós usamos vêm em útil.

Você tem feito algum estudo na formação de tecido?

Este é um outro aspecto de meu laboratório. Nós centramo-nos na caracterização nanomechanical de estruturas biológicas e igualmente sobre o estudo do biomineralization. Aqui, nós estamos tentando compreender como o tecido vivo pode formar arquiteturas mineralizadas.

Como você espera esta pesquisa impactar o campo do biomimetics?

Eu sou envolvido na maior parte na pesquisa fundamental, determinar como os materiais biológicos se comportam e como são criados, ao contrário de criar os materiais eles mesmos. Contudo, a pesquisa fundamental tem um impacto grande.

Biomimetics é um campo extremamente multidisciplinar. Envolve seleccionar junto o conhecimento da química, da biologia, da ciência de materiais e da física. A fim desenvolver uma compreensão de como duramente, o tecido biológico é formado, todos estes campos precisam de ser considerados. Todas a biologia das pilhas que formam a estrutura, a química das reacções da mineralização, e as propriedades mecânicas da estrutura resultante precisam de ser sabidas.

Biomimetics é uma ponte entre a ciência de materiais e a tecnologia biológica, e o conhecimento flui em ambos os sentidos. As técnicas avançadas da ciência de materiais são usadas para compreender como as estruturas biológicas são formadas e como executam, e então esta informação é aplicada no projecto de materiais sintéticos.

Somos nós perto de criar estruturas biomimetic com as propriedades similares a essas que nós vemos no mundo real?

Esta é uma pergunta difícil a responder. Nós podemos já criar, de certa forma, estruturas similares mas nós não podemos fazê-las economicamente. É cara e exige muito esforço.

Inversamente, no mundo natural, uma estrutura de escudo pode ser formada sem ter que aplicar toda a pressão, e na temperatura ambiental. Nós ainda não sabemos exactamente este é conseguido por natureza, mas nós sabemos que usa uma aproximação de baixo para cima do `', que signifique que o escudo está construído a partir do zero.

Nós podemos formar o synthetic SHELL-como materiais mas nós temos que tomar uma aproximação diferente que envolva muita tecnologia cara, e o material não é produzido em uma grande escala. Assim, enquanto nós podemos produzir estruturas verdadeiramente biomimetic, nós não podemos ainda fazê-las na escala que a natureza faz tão facilmente, que é proibitivamente caro

Que equipamento você usa em sua pesquisa?

Nós usamos o sistema de Hysitron TI-950 em nosso laboratório, este igualmente temos o serviço adicional da análise dinâmica, que permite que nós façam os testes de traço. Nós temos uma câmara da umidade assim que nós podemos controlar a umidade e a temperatura durante nossas medidas. Além, nós igualmente temos o PicoIndenter-85. Aqueles são os brinquedos que principais nós jogamos ao redor com.

A câmara da umidade era em particular crucial para nossa pesquisa como, quando testar materiais biológicos, ele é importante ficar em circunstâncias biològica relevantes. Nós desenvolvemos a câmara da umidade com Hysitron quatro anos há. Eu estava trabalhando em Potsdam, quando nós tivemos a ideia de construir a câmara e o Hysitron contactado. Nós fizemos a primeira experiência no protótipo, que era bem sucedido, e a máquina transformou-se dois anos disponíveis no comércio mais tarde.

Sobre o Dr. Igor Zlotnikov

O Dr. Igor Zlotnikov recebeu seu PhD na ciência e na engenharia de materiais de Technion - Instituto de Tecnologia de Israel. Trabalhou então como um companheiro pos-doctoral e, subseqüentemente, como um pesquisador independente no departamento dos matérias biológicos, no Max Planck Institute dos colóides e nas relações.

Actualmente, está conduzindo o grupo de “análise Multiscale” no CUBO de B - centre para a tecnologia biológica molecular, a Turquia Dresden. Sua pesquisa centra-se sobre a pergunta fundamental de como a natureza se aproveita de princípios termodinâmicas para gerar morfologias complexas e na interacção entre a física dos materiais e o controle celular neste processo.