Механически градиентные полимеры
Полимерные градиентные материалы (ПГМ) представляют собой класс полимеров с постепенно меняющимися механическими свойствами в определенном направлении, образующими анизотропный материал. Эти материалы могут быть определены на основе направления и крутизны используемого градиента и могут отображать градиентные или ступенчатые переходы. [1] Для создания этих градиентов можно использовать широкий спектр методов, включая градиенты армирующих наполнителей, плотности поперечных связей или пористости, и это лишь некоторые из них. 3D-печать использовалась для объединения нескольких из этих методов в одной технологии производства. [2]
Эти материалы могут быть вдохновлены природой, где механические градиенты обычно используются для улучшения взаимодействия между двумя разнородными поверхностями. Когда два материала с разными модулями упругости соединяются вместе в двухслойном соединении, это может создать слабый контакт, тогда как механический градиент может уменьшить напряжение и деформацию соединения. Напротив, стыковое соединение , которое обеспечивает соединение материалов с небольшим градиентом или вообще без него, оказалось менее прочным, чем однородные компоненты. [3]
Полимеры с механическим градиентом производятся не так широко, как в природе, и в процессе производства также могут возникать непреднамеренные градиенты. Материалы не всегда полностью однородны, несмотря на намерения производителя, и эти непреднамеренные градиенты могут скорее ослабить материал, чем улучшить его. Следовательно, механические градиенты должны быть правильно применены к конкретному приложению, чтобы предотвратить возникновение нестабильностей. [4]
Методы
[ редактировать ]Градиент в армирующем наполнителе
[ редактировать ]Армирующие наполнители, такие как углеродные нанотрубки с высокими механическими модулями, обычно используются для создания полимерных композитов с высокой прочностью и вязкостью. [5] Поскольку модуль упругости и количество наполнителя связаны, при изменении количества наполнителя в полимере модуль будет меняться аналогичным образом. [6] Кроме того, поскольку длинные нанонаполнители создают анизотропные модули, если бы направление нанонаполнителя можно было изменить по длине полимера, градиент модуля также можно было бы настроить таким же образом.
Градиент плотности сшивок
[ редактировать ]Распространенный подход к увеличению механической прочности полимеров включает изменение плотности сшивки полимера. Поперечные связи соединяют полимерные цепи, создавая сеть, устойчивую к деформации. Следовательно, увеличение плотности сшивки в секции полимера приведет к увеличению модуля упругости в этом месте. Это можно использовать для создания механического градиента, если плотность сшивки меняется поперек полимера. Распространенным подходом к достижению этой цели является использование процесса фотополимеризации , при котором с изменением воздействия УФ-излучения можно изменить степень сшивки или полимеризации в подвергаемой воздействию области. [7] Аналогичным образом количество инициатора или сшивателя можно варьировать в образце, создавая аналогичный эффект.
Градиент пористости
[ редактировать ]Пористость можно использовать для уменьшения модуля полимера, как это видно в полимерных пенопластах, и, как это видно в кости, изменение пористости и, следовательно, плотности также можно использовать для создания механического градиента вдоль ее поперечного сечения. [8]
Приложения
[ редактировать ]Природа
[ редактировать ]В природе существует множество примеров, когда мягкие ткани и твердые поверхности соединяются механическим градиентом для улучшения сопротивления излому и ударам. Примеры включают мидии , которые соединяются с твердыми камнями с помощью мидийной мышцы, которая соединяется с мягкими мышцами стопы. [9] Более крайним примером является клюв кальмара, у которого очень твердый кончик, необходимый для убийства и расчленения добычи, который прикрепляется обратно к мягкой плоти тела кальмара . Без механического уклона в клюве кальмар не смог бы выдержать сильные удары, несмотря на свою твердость, поскольку он откололся бы от тела в месте соединения материалов. [10]
Биомедицинские имплантаты
[ редактировать ]Как упоминалось выше, многие системы в природе включают в себя механические градиенты, и аналогично для биомедицинских имплантатов эти градиенты могут быть полезны. Многие имплантаты жесткие и из-за разницы в жесткости могут повредить окружающие ткани. Это проблема, например, микроэлектродов , имплантированных в мозг, которые очень мягкие. Нанесенное повреждение может привести к скоплению фиброзной ткани, которая затем может помешать передаче сигнала между электродом и мозгом. [11] Аналогичным образом, в имплантатах коленного и тазобедренного суставов необходима высокая степень интеграции между прочной костью, хрящом и тканями. В противном случае могут возникнуть такие проблемы, как защита от напряжений , когда кость дегенерирует из-за слишком высокого модуля упругости имплантата. [12]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Клауссен, КУ; Гиза, Р.; Шмидт, Х.В., Продольные полимерные градиентные материалы на основе сшитых полимеров. Полимер 2014, 55 (1), 29-38.
- ^ Дизон, JRC; Эспера, АХ; Чен, К.; Адвинкула, Р.Ц., Механическая характеристика полимеров, напечатанных на 3D-принтере. Аддитивное производство 2018, 20, 44-67.
- ^ Клауссен, КУ; Гиза, Р.; Шмидт, Х.В., Продольные полимерные градиентные материалы на основе сшитых полимеров. Полимер 2014, 55 (1), 29-38.
- ^ Каллистер, В.; Ретвиш Д. Основы материаловедения и инженерии: комплексный подход, 2012, 4, 466.
- ^ Эндрюс, Р.; Вайзенбергер, М. К., Полимерные композиты с углеродными нанотрубками. Curr Opin Solid St M 2004, 8 (1), 31–37.
- ^ Фокс, Джей Ди; Кападона-младший; Мараско, PD; Роуэн, С.Дж. , «Биоинспирированные механически градиентные нанокомпозитные пленки с повышенным содержанием воды, имитирующие архитектуру и свойства клюва кальмара». Журнал Американского химического общества 2013, 135 (13), 5167-5174.
- ^ Саньер, Р.; Джин, Эй Джей; Носсаль, Р.; Сакетт, Д.Л., Изготовление гидрогелей с крутыми градиентами жесткости для изучения механической реакции клеток. ПЛОС Один 2012, 7 (10).
- ^ Шервуд, Дж. К.; Гриффит, LG; Браун, патент SUS № 6454811, 2002 г.
- ^ Харрингтон, MJ; Уэйт Дж. Х. «Как природа модулирует механические свойства волокна: механически различные волокна, полученные из вариантов природного мезогенного блок-сополимера». Adv Mater 2009, 21 (4), 440-+.
- ^ Тан, Ю.П.; Хун, С.; Геретт, Пенсильвания; Вэй, В.; Гадбан, А.; Хао, К.; Мисерес, А.; Уэйт, Дж. Х., Инфильтрация хитина белковыми коацерватами определяет механический градиент клюва кальмара. Nat Chem Biol 2015, 11 (7), 488-+.
- ^ Тейт, MLK; Детамор, М.; Кападона-младший; Вулли, А.; Кнот, У., Разработка и коммерциализация интерфейсов человек-устройство, от кости до мозга. Биоматериалы 2016, 95, 35-46.
- ^ Хейскес, Р.; Вейнанс, Х.; Ванриетберген, Б., Взаимосвязь между защитой от стресса и резорбцией костей вокруг всего ствола бедра и эффектами гибких материалов. Клин Ортоп Релат Р. 1992, (274), 124–134.