Usando la prueba de Nanomechanical para entender la eficiencia mecánica de biomateriales

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

Una entrevista conducto con el Dr. Igor Zlotnikov, conducto por Jake Wilkinson, MSc

¿Por qué está usted interesado en las propiedades mecánicas de materiales biológicos?

Los materiales biológicos exhiben propiedades mecánicas superiores en relación con su peso cuando están comparados a la mayoría de todos los materiales artificiales. Además de esto, los organismos pueden construir estos materiales usando una paleta muy limitada. Las propiedades excepcionales de materiales biológicos son un resultado de las configuraciones complejas que tienen características del nanoscale. , Como científicos, quisiéramos entender estas estructuras y reproduciríamos estos materiales.

© Kateryna Kon/Shutterstock.com

¿Qué técnicas usted utiliza junto al nanoindentation?

Para el análisis mecánico, utilizamos sobre todo el nanoindentation junto a un alcance de otras técnicas, que son también posibles usando un sistema de Hysitron. También realizamos experimentos usando la correspondencia y el análisis mecánico dinámico. También hemos estado utilizando el escenario recientemente introducido del control del medio ambiente, que permite que realicemos pruebas nanomechanical bajo ambiente controlado, que es extremadamente importante para el tejido biológico. El tejido biológico se debe probar en un ambiente similar a su hábitat natural, no tiene sentido de probar su funcionamiento cuando se embute en plástico y se deseca.

Por este motivo, realizamos muchas caracterizaciones bajo ambiente controlado, con la atención específica a la humedad relativa. Además, muchas de las estructuras son extremadamente pequeñas que es porqué utilizamos la correspondencia de técnicas.  

¿Cómo es usted prueba nanomechanical que usa para estudiar los materiales biológicos?

La forma más básica de la nano-caracterización de los materiales se basa en la medición del módulo de Young y del endurecimiento del material. Éste no es suficiente para los materiales biológicos, pues una función grande de su comportamiento se basa en viscoelasticidad.

Las reacciones de Visoelastic no se pueden medir usando una técnica estática, que es donde los análisis dinámicos que utilizamos vienen en útil.

¿Usted ha estado haciendo estudios en la formación de tejido?

Éste es otro aspecto de mi laboratorio. Nos centramos en la caracterización nanomechanical de estructuras biológicas y también en el estudio del biomineralization. Aquí, estamos intentando entender cómo el tejido vivo puede formar configuraciones mineralizadas.

¿Cómo usted prevee que esta investigación afecte el campo del biomimetics?

Estoy implicado sobre todo en la investigación fundamental, determinación de cómo los materiales biológicos se comportan y de cómo se crean, en comparación con crear los materiales ellos mismos. Sin embargo, la investigación fundamental tiene un impacto grande.

Biomimetics es un campo extremadamente multidisciplinario. Implica el extraer junto del conocimiento de química, de biología, de la ciencia material y de la física. Para desarrollar una comprensión de cómo difícilmente, se forma el tejido biológico, todos estos campos necesitan ser considerados. La biología de las células que forman la estructura, la química de las reacciones de la mineralización, y las propiedades mecánicas de la estructura resultante todas necesitan ser sabidas.

Biomimetics es un puente entre la ciencia material y la bioingeniería, y el conocimiento fluye en ambas direcciones. Las técnicas avanzadas de la ciencia material se utilizan para entender cómo se forman las estructuras biológicas y cómo se realizan, y entonces esta información es aplicada en el diseño de materiales sintetizados.

¿Estamos cerca de crear las estructuras biomimetic con las propiedades similares a las que vemos en el mundo real?

Esto es una pregunta difícil a contestar. Podemos crear ya, en cierto modo, las estructuras similares pero no podemos hacerlas económicamente. Es costosa y requiere mucho esfuerzo.

Inversamente, en el mundo natural, una estructura de granada puede ser formada sin tener que aplicar cualquier presión, y en la temperatura ambiente. Todavía no sabemos exactamente esto se logra por naturaleza, pero sabemos que utiliza aproximación ascendente del ` una', que significa que la granada está construida a partir de cero.

Podemos formar el sintético granada-como los materiales pero tenemos que tomar una diversa aproximación que implique mucha tecnología costosa, y el material no se produce en un gran escala. Así pues, mientras que podemos producir las estructuras verdaderamente biomimetic, no podemos todavía hacerlas en la escala que lo hace la naturaleza tan sin esfuerzo, que es prohibitivo costosa

¿Qué equipo usted utiliza en su investigación?

Utilizamos el sistema de Hysitron TI-950 en nuestro laboratorio, éste también tenemos la agregación del análisis dinámico, que permite que hagamos las pruebas de correspondencia. Tenemos una cámara de la humedad así que podemos controlar humedad y temperatura durante nuestras mediciones. Además, también tenemos el PicoIndenter-85. Ésos son los juguetes principales que jugamos alrededor con.

La cámara de la humedad particularmente era crucial para nuestra investigación como, cuando la prueba de los materiales biológicos, él es importante tirante en las condiciones biológico relevantes. Desarrollamos la cámara de la humedad con Hysitron hace cuatro años. Trabajaba en Potsdam, cuando teníamos la idea de construir la cámara y el Hysitron contacto. Hicimos el primer experimento en el prototipo, que era acertado, y la máquina se convirtió en dos años disponibles en el comercio más adelante.

Sobre el Dr. Igor Zlotnikov

El Dr. Igor Zlotnikov recibió su doctorado en la ciencia material y la ingeniería de Technion - el Instituto de Tecnología de Israel. Él entonces trabajó como becario postdoctoral y, posteriormente, como investigador independiente en el departamento de biomateriales, el Max Planck Institute de coloides y los interfaces.

Actualmente, él está llevando el grupo “análisis de Multiscale” en CUBO de B - centre para la bioingeniería molecular, TU Dresden. Su investigación se centra en la cuestión fundamental de cómo la naturaleza se aprovecha de principios termodinámicos para generar morfologías complejas y en la interacción entre la física de materiales y el mando celular en este proceso.