(Phys.org)—Les matériaux biologiques tels que les os et les muscles ont tendance à avoir une large gamme d'élasticité et de rigidité qui est différente des matériaux synthétiques. En général, avec des matières synthétiques, à mesure que la rigidité augmente, l'élasticité diminue. Matériaux biologiques, d'autre part, ne présentent pas une relation aussi directe. Il y a beaucoup d'intérêt à trouver des matériaux qui imitent les matériaux biologiques à utiliser comme prothèses et autres fonctions. Un de ces matériaux est le polymère goupillon.

Des chercheurs de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, Université d'Akron, et l'Université Carnegie Mellon ont cherché à décrire la rigidité et l'extensibilité disponibles avec les polymères de goupillons et à suggérer une stratégie générale pour affiner trois caractéristiques du polymère de goupillons pour imiter les propriétés mécaniques des tissus biologiques. Leur lettre peut être trouvée La nature .

Les élastomères synthétiques ont tendance à suivre la « règle d'or » des objets matériels. Au fur et à mesure que la rigidité du matériau augmente (E), son extensibilité (ou allongement maximal, ?? max ) diminue. La gamme des possibles E et λ max est principalement défini par la composition chimique du squelette polymère.

Les matériaux biologiques n'obéissent pas à cette « règle d'or ». Ils habitent ce que les auteurs appellent le "triangle biologique" de E et λ max combinaisons actuellement inaccessibles pour les matières synthétiques. Par ailleurs, les E et disponibles max n'obéissent pas à une relation strictement inverse. Les polymères en brosse se sont avérés avoir une rigidité et une flexibilité plus similaires aux systèmes biologiques. En outre, des polymères en peigne et des copolymères triblocs peuvent être utilisés pour ajuster l'architecture du polymère.

Par réticulation, les macromolécules des goupillons peuvent produire un réseau polymère sans solvant. En d'autres termes, ce sont des élastomères qui réagissent facilement à un champ électrostatique en changeant de forme. Des travaux antérieurs de ce groupe ont identifié et synthétisé ce type particulier d'élastomère. Contrairement à d'autres types de polymères électrostatiques, les élastomères de goupillons réagissent à un champ électrique relativement faible et ne nécessitent pas de précontrainte.

Une propriété clé des élastomères pour goupillons est leur rigidité et leur extensibilité, E et max , sont contrôlés indépendamment par trois paramètres architecturaux :le degré de polymérisation des chaînes latérales (n sc ), l'espaceur entre les chaînes latérales voisines (n g ), et le brin d'épine dorsale (n X ). Les élastomères à chaîne linéaire typiques sont « unidimensionnels, " en s'appuyant sur un paramètre :le brin dorsal, m X —comme moyen de manipuler E et λ max .

Afin de tester comment manipuler ces trois propriétés pour accéder aux combinaisons de E et λ max dans le "triangle biologique, " les auteurs ont utilisé divers élastomères PDMS comme systèmes modèles. Ils ont commencé par mesurer les courbes contrainte-déformation pour une large gamme d'élastomères afin de corroborer les prédictions théoriques.

Après avoir testé plusieurs systèmes modèles, les auteurs ont ensuite identifié des corrélations entre n sc , m g , et n X et les propriétés mécaniques de l'élastomère. They found that there were four distinct correlations between E and λ max for several combinations of n sc , m g , et n X :1) E decreases as λ max increases (the typical relationship seen in synthetic polymers), 2) a concurrent decrease in E and λ max , 3) E varies while λ max stays constant, and 4) λ max varies while E stays constant.

Finalement, taking these correlations, the authors then devised rules for choosing the right combination of n sc , m g , et n X to mimic the stress-strain curves for certain biological systems. They did this by relating a known mathematical relationship between the equilibrium stress and network elongation to the elastomer Young modulus and strain-stiffening parameter. These are then related to n sc , m g , et n X to provide a code for choosing the right combination for a particular E and λ max paire.

By manipulating these three properties, Vatankha-Varnosfaderani et al. were able to match the elastomer's stress-strain curve to that of representative biological materials. They successfully found the combination to mimic jelly fish tissue. Cependant, adaptive biological materials, such as lung, muscle, and artery tissue, revealed synthetically prohibitive n sc , m g , m X triplets. Pour surmonter cela, they used triblock copolymers with varying lengths of bottlebrush middle block. From these architectures they were able to obtain polymer materials that had the appropriate triplets to mimic biological stress-strain curves.

This research has implications for producing synthetic materials that are beyond the narrow range of stiffness and elasticity available to linear polymers. Future research may include fine-tuning the chemical composition of the elastomers for specific needs such as biological compatibility, conductivity, or solubility.

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