Исследователи из Университета Арканзаса Марко Филдер и Арун Наир провели первое исследование комбинированного наноразмерного воздействия воды и минерального состава на механизмы деформации и термические свойства коллагена, составляющего костного материала.
Исследователи также сравнили результаты с теми же свойствами неминерализованного коллагена, армированного углеродными нанотрубками, который показал себя многообещающим в качестве армирующего материала для биокомпозитов. Это исследование помогает в разработке синтетических материалов, имитирующих кость.
Используя молекулярную динамику — в данном случае компьютерное моделирование физических движений атомов и молекул — Наир и Филдер исследовали механические и термические свойства биокомпозитов на основе коллагена, содержащих различное массовое процентное содержание минералов, воды и углеродных нанотрубок при воздействии внешних факторов. нагрузки.
Они обнаружили, что вариации содержания воды и минералов сильно влияют на механическое поведение и свойства биокомпозитов, структура которых имитирует наноразмерный состав кости. С увеличением гидратации биокомпозиты стали более уязвимыми для стресса. Кроме того, Наир и Филдер обнаружили, что присутствие углеродных нанотрубок в неминерализованном коллагене снижает деформацию областей зазора.
Исследователи также проверили жесткость, которая является стандартным измерением сопротивления материала деформации. И минерализованные, и неминерализованные биокомпозиты коллагена продемонстрировали меньшую стабильность при большем содержании воды. Композиты с минерализацией 40% были вдвое прочнее, чем без минералов, независимо от количества воды. Жесткость композитов с углеродными нанотрубками сопоставима с жесткостью минерализованного коллагена.
«По мере увеличения степени минерализации или содержания углеродных нанотрубок в коллагеновых биокомпозитах влияние воды на изменение величины деформации уменьшалось», — сказал Филдер.
Было обнаружено, что биокомпозиты, изготовленные из коллагена и углеродных нанотрубок, имеют более высокую удельную теплоемкость, чем изученные биокомпозиты с минерализованным коллагеном, что делает их более устойчивыми к тепловым повреждениям, которые могут возникнуть во время имплантации или функционального использования композита. Как и большинство биологических материалов, кость имеет иерархическую структуру с разными структурами на разных масштабах длины. На микромасштабном уровне кость состоит из коллагеновых волокон , состоящих из более мелких нановолокон, называемых фибриллами, которые представляют собой смесь белков коллагена, минерализованных кристаллов, называемых апатитом, и воды. Фибриллы коллагена перекрывают друг друга в некоторых областях и разделены промежутками в других областях.
«Несмотря на то, что несколько исследований охарактеризовали механику фибрилл, эффекты изменения и распределения воды и минерального содержания в областях зазора и перекрытия фибрилл не исследованы», — сказал Наир, доцент кафедры машиностроения. «Изучение этих регионов помогает понять структуру кости , которая важна для раскрытия свойств ее материала. Если мы поймем эти свойства, мы сможем спроектировать и создать лучшие биологические материалы и биокомпозиты».
Загрузка...
