ΙΝΕΣ ΜΕ ΔΙΑΒΑΘΜΙΣΗ ΕΛΑΣΤΟΜΕΡΕΙΑΣ (ELASTOMERIC GRADIENTS) KAI ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΣΥΓΚΟΛΛΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (BIOLOGICAL ADHESIVES) ΙΝΕΣ ΜΥΔΙΩΝ

ΙΝΕΣ ΜΥΔΙΩΝ ΠΟΙΕΣ ΘΑ ΗΤΑΝ ΟΙ ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΑΥΤΩΝ ΤΩΝ ΙΝΩΝ?

ΚΥΚΛΟΣ ΤΑΣΗΣ - ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΜΙΑΣ ΙΝΑΣ ΜΥΔΙΩΝ (μοντελοποιημένης σαν ελατήριο)

Δυο ειδη ινων με διαφορετικη ελαστικοτητα proximal (αμεσος, γειτονικος) distal (ακραιος, περιφερειακος)

Mηχανικες ιδιοτητες των δυο ειδων ινων Distal Proximal E init. 0, 50 GPa 0.05 GPa σ max 0.15 GPa 0,02 GPa ε max 0.8 1.6 hyster. 72 % 47 % toughness 50 MJ/m 3 15 MJ/m 3

Δυο διαδοχικοί κύκλοι (η ανταπόκριση Σε δύο διαδοχικά «κύματα») δύο ινών (Ι και ΙΙ)

Δυο διαδοχικοί κύκλοι (η ανταπόκριση Σε δύο διαδοχικά «κύματα») δύο ινών (Ι και ΙΙ) Παρατηρείται ότι στον δεύτερο κύκλο το μέτρο ελαστικότητας του περιφερειακού μέρους της ίνας Ι ελαττώνεται κατά 20% σε σχέση με τον πρώτο κύκλο. Η υστέρηση επίσης ελαττώνεται η ίνα επανέρχεται πολύ πιο γρήγορα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται stress softening - Ποια μπορεί να είναι η χρησιμότητα αυτού του φαινομένου?

Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται stress softening - Ποια μπορεί να είναι η χρησιμότητα αυτού του φαινομένου? Απάντηση: Όταν ενα δεύτερο κύμα από την ίδια κατεύθυνση προσπέσει στην ίνα Ι, η ίνα Ι εκτείνεται με περισσότερη ευκολία και λιγώτερη αντίσταση. Αυτό επιτρέπει στις ίνες ΙΙ και ΙΙΙ, που έχουν μεγάλο μέτρο ελαστικότητας, να απορροφήσουν μεγάλο μέρος της εξασκούμενης τάσης, και συνεπώς την αποτελεσματική ανακατανομή των εξωτερικών τάσεων. Εικάζεται ότι αυτό το φαινόμενο συνεχίζεται και με τις υπόλοιπες ίνες, ώστε οσο το δυνατόν περισσότερες ίνες να συμμετέχουν στον καταμερισμό της εξασκούμενης τάσης.

Μεταβολή του αρχικού μέτρου ελαστικότητας των δύο ειδών των ινών (Ρ) και (D) σε σειρά διαδοχικών κύκλων Αντίθετα, το μέτρο ελαστικότητας της γειτονικής ίνας αυξάνεται από 35 MPa σε μια ασυμπτωτική τιμή περίπου 50 MPa. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται strain stiffening.

Μεταβολή του αρχικού μέτρου ελαστικότητας των δύο ειδών των ινών (Ρ) και (D) σε σειρά διαδοχικών κύκλων

Τι μηχανικά προβλήματα μπορούν να προκύψουν όταν δύο υλικά με διαφορετικά μέτρα ελαστικότητας συναντώνται σε ένα σημείο?

Εστω δύο υλικά, Α και Β, με ίσους λόγους Poisson (=0.4)*, πού συναντώνται σε ένα σημείο, Και έστω ότι η εξασκούμενη τάση, σ κατά τον άξονα των z είναι ίση με 1. λόγος Poisson * = λόγος εγκάρσιων και αξονικών παραμορφώσεων που προέρχονται από τη εφαρμογή μιας αξονικής τάσης

Διάγραμμα των αναπτυσσόμενων τάσεων σr (residual) [άθροισμα ακτινωτής (radial) και περιφερειακής (circumferential)] στην διεπιφάνεια των δύο υλικών Σαν συνάρτηση του λόγου των μέτρων ελαστικότητας

Υπάρχει τρόπος να αποφύγει κανείς αυτές τις τάσεις Στο σημείο που τα δύο είδη ινών (γειτονικές και περιφερειακές ) συνδέονται?

Δυο ειδη ινων με διαφορετικη ελαστικοτητα Proximal (αμεσος, γειτονικος) Distal (ακραιος, περιφερειακος) Συνδεδεμενα με διαβαθμιση ελαστικοτητας και ακριβη εφαρμογη (dovetailing)

Πως μπορεί να επιτευχθεί η διαβάθμιση ελαστικότητας Στο μοριακό και δομικό επίπεδο?

Βιοχημικη κατασκευη KAI των δυο ειδων ινων: Κεντρικός δομικός λίθος κολλαγόνου περιστοιχισμένος εκατέρωθεν από flank domains και περιοχές πολύ-ιστιδίνης

Βιοχημικη κατασκευη των δυο ειδων ινων

Βιοχημικη κατασκευη των δυο ειδων ινων Τα flank domains είναι διαφορετικά για Τις περιφερειακές και τις γειτονικές ίνες. Ποια από τα δομικά μοτίβα πρωτεϊνών Πού μελετήσαμε μέχρι τώρα θα διαλέγατε για κάθε μια από αυτές?

Συγκριση βιολογικών υλικων και των Δομικων τους μοτίβων Μεταξι, ελαστινη, κερατίνη κολλαγονο Κατεύθυνση της ίνας

Βιοχημικη κατασκευη των δυο ειδων ινων

Flanking domains και πρότυποι «δομικοί λίθοι» -P (proximal) β spiral πενταπεπτίδια τύπου ελαστίνης ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ -D (distal) κρυσταλλικές περιοχές β- πτυχωτών φύλλων ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ -NG = non-graded Κεντρικός δομικός λίθος κολλαγόνου με flanking domains πολυγλυκίνης (άμορφες περιοχές)

Πως μπορεί να επιτευχθεί η διαβαθμιση ελαστικοτητας και ακριβη εφαρμογη (dovetailing)?

Πιθανά μοντέλα διαβαθμισης

Οι ίνες των μυδιών είναι Χαρακτηριστικό παράδειγμα FGM functionally graded materials λειτουργικά βαθμιδωμένα υλικά» (υλικά στα οποία βαθμιαίες μεταβάσεις σε μικροσύσταση και δομή προσδίδουν λειτουργικά πλεονεκτήματα στο υλικό)

Οι ίνες των μυδιών είναι Χαρακτηριστικό παράδειγμα FGM functionally graded materials λειτουργικά βαθμιδωμένα υλικά» Η σύσταση αλλάζει σταδιακά χωρίς να Χάνεται η συνοχή ανάμεσα στις διαδοχικές Περιοχές του υλικού

Η φύση χρησιμοποιεί συχνά functionally graded materials Ενα από τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα: Δομή του bamboo (διαβάθμιση στο πακετάρισμα αλλά και στις μηχανικές ιδιότητες των ινών από την περιφέρεια προς το κέντρο)

Προστατευτικη επικαλυψη των ινών των μυδιών με κολλωδεις πρωτεινες Mefp = mutilus edulis foot protein

5 είδη πρωτεϊνών Mefp χρησιμεύουν για την πρόσφυση των μυδιών σε στερεές επιφάνειες

5 είδη πρωτεϊνών Mefp, πλούσια σε διυδροξυ φαινυλαλανίνη και λυσίνη

διυδροξυ φαινυλαλανίνη: Σημαντική για τον σχηματισμό Ομοιοπολικών συνδέσεων (covalent cross-links) Ανάμεσα στα μόρια των Συγκολλητικών πρωτεϊνών Απαραίτητη για την συνοχή Του συγκολλητικού υλικού (cohesion)

διυδροξυ φαινυλαλανίνη: Σημαντική επίσης για την πρόσφυση (adhesion) Σε στερεές επιφάνειες μέσω διασυνδέσεων με μέταλλα Αρα έχει διπλό ρόλο : adhesion + cohesion

Σχηματικό διάγραμμα adhesion + cohesion Των συγκολλητικών πρωτεϊνών των μυδιών

Σημαντικό χαρακτηριστικό των πρωτεϊνων Της «πλάκας» των μυδιών: «αφρώδης» δομή Ποια η χρησιμότητα μιας τέτοιας «κατασκευής»?

Σημαντικό χαρακτηριστικό των πρωτεϊνων Της «πλάκας» των μυδιών: «αφρώδης» δομή Ποια η χρησιμότητα μιας τέτοιας «κατασκευής»? Απάντηση: μηχανισμός περιορισμού της διάδοσης ρωγμών (crack arresting mechanism)

Κρίσιμη ενέργεια επιφάνειας (γc) Και δύναμη απαιτούμενη για αποσυγκόλληση Των μυδιών από διάφορες επιφάνειες

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΣΥΓΚΟΛΛΗΤΙΚΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΤΩΝ ΜΥΔΙΩΝ -Κόλλα Cell-Tak για πρόσφυση κυττάρων, συγκόλλητικό ιστών κλπ (www.bdbiosciences.com) -Δυνατότητες άλλων εφαρμογών (οφθαλμολογικά υλικά κλπ)

ΟΙ ΣΥΓΚΟΛΛΗΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΤΩΝ ΜΥΔΙΩΝ ΧΡΗΣΙΜΕΥΟΥΝ ΕΠΙΣΗΣ ΣΑΝ ΜΟΝΤΕΛΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΛΙΚΩΝ ΠΟΥ ΝΑ ΕΜΠΟΔΙΖΟΥΝ ΤΗΝ ΠΡΟΣΦΥΣΗ ΣΕ ΣΤΕΡΕΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ ΣΤΟΝ ΒΥΘΟ (ANTIFOULING AGENTS)

ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΜΕ ANTIFOULING AGENTS Στρατηγική graft-to : επικάλυψη της επιφάνειας με μια ομάδα «πρόσφυσης» η οποία συνδυάζεται με μια μια ομάδα παρεμπόδισης της πρόσφυσης στο άλλο άκρο

ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΜΕ ANTIFOULING AGENTS Στρατηγική graft-from : πρώτα επικάλυψη της επιφάνειας με μια ομάδα «πρόσφυσης» - η ομάδα παρεμπόδισης της πρόσφυσης αναπτύσσεται επι τόπου με πολυμερισμό μέσω μιας ομάδας «εναρκτή»

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΒΙΟΜΙΜΗΤΙΚΟΥ ANTIFOULING ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ ΕΜΠΝΕΥΣΜΕΝΟΥ ΑΠΟ ΤΑ MEFP

ΒΙΟΜΙΜΗΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ GECKEL (DRY/WET ADHESIVE) Lee et al., (2007) Nature 448: 338

ΒΙΟΜΙΜΗΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ GECKEL (DRY/WET ADHESIVE) Lee et al., (2007) Nature 448: 338 Ο σχεδιασμός συνδυάζει μικρο-κατασκευή συστοιχίας στηλών (μιμούνται την κατασκευή των ποδιών του gecko) Και επικάλυψη των στηλών με ένα πολυμερές που μιμείται την κατασκευή των συγκολλητικών πρωτεϊνών των μυδιών (πλούσια σε ομάδες διυδροξυ-φαινυλαλανινης) Η ικανότητα πρόσφυσης της κατασκευής σε υδατικό περιβάλλον αυξάνεται σχεδόν 15 φορές όταν επικαλύπτεται με το πολυμερές και διατηρείται για σχεδόν 1000 κύκλους προσκόλλησης-αποκόλλησης.