Smalto studiante Nanostructure con Nanoindentation

Thought LeadersDr. Shahrouz AminiMax Planck Institute of Colloids and InterfaceDepartment of Biomaterials

Un'intervista con Dott. S Amini, condotto da Jake Wilkinson, MSc

Perché siete interessato in biomateriali?

Come adolescente, sono stato stupito di natura e mi sono domandato perché la gente ha perso permanentemente i loro denti, mentre gli squali hanno rigenerato regolarmente i loro denti? Queste domande erano sempre sulla mia mente.

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Il mio interesse primario era la meccanica dei solidi. Durante il programma della mia lastra, ho ottenuto esperto con i biomateriali ed ho lanciato un progetto con il banco dell'odontoiatria sui materiali del tonico del dente. L'interesse in materiali biologici ancora sviluppato durante il mio programma di Ph.D. nel laboratorio di Biomimetic e biologico dei materiali (BBML) alla Nanyang Technological University, Singapore.

Il mio progetto pricipalmente è stato messo a fuoco sui tessuti duri biologici. Ultimamente, mi sono mosso verso il Max Planck Institute dei colloidi e delle interfacce, dipartimento dei biomateriali, in cui ho la probabilità collaborare molto attentamente con i nostri gruppi di ricerca differenti ed esplorare i modelli biologici differenti. Corrente, sto lavorando ai beni strutturali ed alle risposte meccaniche dei modelli biologici della danno-resistenza, quali il enameloid dei denti dello squalo e lo smalto dentario umano.

Come i compositi sintetici confrontano ai beni dei denti?

Minerali e proteine, le particelle elementari dello smalto naturale, impigliate nelle forme complesse per video i beni che vanno ben maggiori dei loro diversi beni. Queste strutture gerarchiche, che sono composte di particelle elementari disponibili e semplici, sono molto al di là di qualche cosa che possiamo produrre sinteticamente. Inoltre, non possiamo imitare i gradienti in materiali sintetici che possiamo vedere in materiali biologici, quale il dente umano. Questi gradienti hanno un ruolo cruciale nella risposta e nella prestazione meccaniche dei modelli biologici.

Possiamo ora usare artificialmente i compositi del polimero o ceramici per riparare i nostri denti, ma non riacquistiamo mai i beni originali poiché induciamo le interfacce artificiali e sostituiamo la struttura classificata del dente con un materiale omogeneo con i beni mal adattati. La natura ha adottato le strategie di progettazione complesse per raggiungere i compositi biologici ad alto rendimento che sormontano gli stimoli esterni duri, mentre ostacolando l'errore del sforzo-disadattamento che accade durante il caricamento ciclico.

Come state usando il nanoindentation per avanzare la vostra comprensione dei biomateriali?

La caratterizzazione meccanica dei materiali data indietro alcuni cento anni. I diversi studi hanno provocato un database completo per la risposta meccanica dei materiali. Tuttavia, dovuto le limitazioni tecnologiche, ingegneri non potevano caratterizzare la risposta meccanica delle microstrutture per differenziare il comportamento delle particelle elementari, o il ruolo delle loro disposizioni spaziali.

Grazie agli avanzamenti recenti nelle tecniche meccaniche di caratterizzazione, quali microscopia della forza e il nanoindentation atomici, ora possiamo caratterizzare le funzionalità microstrutturali dei materiali. Questi avanzamenti permettono che noi vediamo il ruolo di micro- e dei nanostructures sulla risposta meccanica delle strutture globali. Per esempio, possiamo capire come la presenza di minerali e la loro disposizione possono pregiudicare la durezza o la resistenza dei campioni.

Che tecniche di rappresentazione usate accanto al nanoindentation come componente della vostra ricerca?

Ho usato le tecniche di rappresentazione differenti, quali microscopia elettronica ed ottica, la micro rappresentazione di CT e la rappresentazione spettroscopica di Raman, accanto ai miei studi di nanoindentation. Combinando queste tecniche, possiamo correlare i beni strutturali e meccanici dei campioni.

Come eseguendo un esperimento di nanoindentation su materiale biologico confronta agli esperimenti convenzionali di nanoindentation?

Ci sono lotti degli studi materiali omogenei, inorganici o polimerici circondanti. Di conseguenza, la maggior parte delle metodologie di prova sono sviluppate per questi materiali.

Per contro, le fasi organiche sono sensibili ad umidità ed alla temperatura e possono denaturare semplicemente se non memorizzato e pronto correttamente. Di conseguenza, i protocolli specifici sono necessari assicurarsi che i campioni tengano le loro caratteristiche indigene.

Perché è l'uso di una camera a atmosfera controllata importante per la vostra ricerca?

Usiamo frequentemente le camere di umidità in modo che i beni meccanici estratti non siano influenzati da disidratazione. L'effetto di disidratazione dipende dal grado di mineralizzazione dei campioni. Per esempio, se è un campione altamente mineralizzato, la disidratazione non pregiudica significativamente i beni meccanici. Tuttavia, per i campioni molli che sono altamente organici, come interfaccia e muscolo, quindi controllo dell'ambiente (pricipalmente umidità) è necessaria. I tessuti devono essere provati al loro ambiente funzionale; altrimenti, non avranno la stessa risposta meccanica.

Dove invitare la nostra comprensione dei biomateriali per catturarci?

La nostra comprensione dei biomateriali continua a svilupparsi. I sistemi che possiamo usare per misurarli stanno essendo sempre più specializzati, autorizzandoci per indagare sempre più sulla loro struttura e comportamento. Il mio campo è basato sulla caratterizzazione di questi materiali che non li producono, sebbene le innovazioni noi producano l'alimentazione direttamente agli ingegneri materiali che usano questi informazioni per creare i materiali sempre più potenti.

Le nuove tecniche di assistenza tecnica stanno portandoci più vicino a creare i materiali biomimetic, che potranno abbinare quelli che vediamo nel mondo naturale. Per esempio, la stampa 3D permetterà che noi emuliamo il 3D complesso o la struttura intrecciata veduto nei modelli biologici quei risultati nei sui beni stupefacenti. Potremo ripiegare esattamente i reticoli che vediamo in materiali biologici e che criamo i materiali per il settore meccanico che li imitano esattamente. Tuttavia, ancora siamo limitati dalla dimensione e dai materiali.

Il che valore vedete dalle nelle conferenze guidate da esperto quale Nanobrüken?

Dalla mia esperienza personale, neppure con l'accesso attraverso Internet e le pubblicazioni, i gruppi scientifici con differenti ambiti di provenienza tutt'intorno il mondo non sono connessi nel modo che dovrebbero essere. Avere questi seminari e discussioni interdisciplinari, scienziati può fornire le nuove idee e le soluzioni innovarici per la loro propria ricerca. Ancora, convincete alcuni casi di un funzionamento del gruppo per progettare o mettere a punto un metodo di prova per la loro ricerca; tuttavia, un simile metodo che già si è applicato per anni in un campo differente può essere personalizzato per la vostra propria ricerca.

Le conferenze che mettono a fuoco sulle tecniche invece dell'area di ricerca, come Nanobrüken, sono utili, perché qualunque cosa il vostro sfondo, voi possa assistere ed ottenere alle nuove idee in altri campi. Facilita la divisione delle idee e ci aiuta tutti a realizzare la nostra ricerca più efficacemente.

Circa Dott. Shahrouz Amini

Il Dott. Amini è un ricercatore post-dottorato al Max Planck Institute dei colloidi e dell'interfaccia, dipartimento dei biomateriali (supervisore: Prof. Peter Fratzl). Con il suo sfondo della ricerca sulla caratterizzazione e sui beni meccanici dei materiali biologici, il Dott. Amini sta intraprendendo gli studi sui modelli biologici tolleranti di danno quale lo smalto dentario.

Shahrouz ha ricevuto la sua laurea di PhD dalla Nanyang Technological University, il dipartimento di scienza dei materiali e l'assistenza tecnica (Consigliere: Prof. Ali Miserez). Nel 2016, ha ricevuto “un premio di eccellenza della ricerca„ per il suo lavoro di PhD sul club di dattilo del gamberetto di mantide e sulle sue strategie dell'indurimento.

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