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Bioinspiriertes Material kann zu externen Kräften "umgestaltet" werden

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Inspiriert durch die Art und Weise, wie menschliche Knochen und farbenfrohe Korallenriffe Mineralablagerungen als Reaktion auf ihre Umgebung anpassen, haben Johns Hopkins-Forscher ein sich selbst anpassendes Material geschaffen, das seine Steifigkeit als Reaktion auf die angewandte Kraft verändern kann.

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Den Forschern zufolge könnte die Entwicklung zu Materialien führen, die sich selbst verstärken können, um sich auf eine erhöhte Kraft vorzubereiten oder weitere Schäden in zahnmedizinischen und anderen Anwendungen außerhalb des Gesundheitswesens zu verhindern.

"Stellen Sie sich ein Knochenimplantat oder eine Brücke vor, die sich selbst verstärken kann, wenn eine hohe Kraft ohne Inspektion und Wartung ausgeübt wird. Es wird sicherere Implantate und Brücken mit minimalen Komplikationen, Kosten und Ausfallzeiten ermöglichen", sagte Dr. Sung Hoon Kang, Assistenzprofessor in der Abteilung für Maschinenbau, Hopkins Extreme Materials Institute und Institut für NanoBiotechnologie an der Johns Hopkins University und Seniorautor der Studie.

Andere Forscher haben versucht, ähnliche synthetische Materialien herzustellen, was allerdings eine Herausforderung darstellte, da ihre Herstellung schwierig und teuer ist. Oder sie müssen bei ihrer Herstellung aktiv gepflegt werden und sind in ihrer Belastbarkeit begrenzt. Materialien mit anpassungsfähigen Eigenschaften wie Holz und Knochen können für sicherere Strukturen sorgen, Geld und Ressourcen sparen und schädliche Auswirkungen auf die Umwelt reduzieren, so die Forscher

Natürliche Materialien können sich durch die Nutzung von Ressourcen in der Umgebung selbst regulieren. Zum Beispiel, so die Forscher, verwenden Knochen Zellsignale, um das Hinzufügen oder Entfernen von Mineralien zu steuern, die dem Blut um sie herum entnommen werden. Mit diesen natürlichen Materialien im Hinterkopf versuchten die Forscher, ein Materialsystem zu schaffen, das als Reaktion auf angewandten Stress Mineralien hinzufügen kann

Die Forscher begannen mit der Verwendung von Materialien, die mechanische Kräfte in elektrische Ladungen umwandeln können, als Gerüste oder Stützkonstruktionen, die Ladungen erzeugen können, die proportional zur auf sie einwirkenden äußeren Kraft sind. Sie hofften, dass diese Ladungen den Materialien als Signale für den Beginn der Mineralisierung durch Mineralionen in der Umgebung dienen könnten.

Als nächstes tauchten die Forscher Polymerfilme dieser Mineralien in eine simulierte Körperflüssigkeit, die ionische Konzentrationen von menschlichem Blutplasma nachahmt. Nachdem die Materialien in der simulierten Körperflüssigkeit inkubiert worden waren, begannen sich Mineralien auf den Oberflächen zu bilden. Die Forscher entdeckten auch, dass sie die Art der gebildeten Mineralien steuern konnten, indem sie die Ionenzusammensetzung der Flüssigkeit kontrollierten.

Dann stellten die Forscher eine an einem Ende verankerte Bohne auf, um die Spannung von einem Ende des Materials zum anderen allmählich zu erhöhen, und stellten fest, dass Regionen mit mehr Spannung mehr Mineralanhäufungen aufwiesen. Die Mineralhöhe war proportional zur Quadratwurzel der angelegten Spannung.

Ihre Methoden, so die Forscher, seien einfach und kostengünstig, und sie benötigen keine zusätzliche Energie.

"Unsere Erkenntnisse können den Weg für eine neue Klasse von sich selbst regenerierenden Materialien ebnen, die beschädigte Bereiche selbst verstärken können", sagte Kang, der hofft, dass diese Materialien eines Tages als Gerüst zur Beschleunigung der Behandlung von Knochenerkrankungen oder Knochenbrüchen, als intelligente Harze für Zahnbehandlungen oder ähnliche Anwendungen eingesetzt werden können

Darüber hinaus, so die Forscher, tragen diese Ergebnisse zum Verständnis der Wissenschaftler von dynamischen Materialien und der Funktionsweise der Mineralisierung bei, was Licht auf ideale Umgebungen werfen könnte, die für die Knochenregeneration benötigt werden