Les matériaux biomimétiques la science puise son inspiration dans les structures naturelles pour synthétiser de nouveaux matériaux avec des fonctionnalités améliorées. Les modèles multi-échelles et des techniques de caractérisation sont des outils puissants pour l'étude des structures et des processus hiérarchiques dans les matières biologiques à une gamme d'échelles de longueur et de temps. De nouveaux concepts de biomatériaux émergeront par la compréhension de l'interaction entre les matériaux et les systèmes biologiques au niveau cellulaire.
Les matériaux biologiques science est un nouveau champ à l'interface de la science des matériaux et de la biologie. Historiquement, les domaines de la biologie structurale et de la physiologie ont eu tendance à négliger les approches matériaux scientifiques lors d'enquêtes sur la matière biologique. Cependant, y compris des études de physique (mécanique, optique et / ou magnétique) propriétés des matériaux, et la façon dont ils répondent à l'évolution des facteurs environnementaux, offre des possibilités d'améliorer la compréhension des processus biologiques tels que la croissance des tissus, l'auto-réparation, la détection et la motilité cellulaire.
L'émergence de matériaux biologiques science est due, en partie, à l'avènement de la médecine régénérative, comme cette discipline a besoin de biomatériaux qui interagissent avec le corps d'une manière spécifique et prévisible. En parallèle, le développement de nouvelles technologies signifie que les chercheurs ont maintenant les outils pour étudier, plus en détail, la structure et les propriétés physiques des matériaux biologiques, que ce soit des cellules, des échantillons de tissus ou d'organes complets. Cette connaissance peut être utilisée pour concevoir de nouveaux matériaux «intelligents» qui peuvent, par exemple, l'auto-assembler, l'auto-réparation et / ou d'évoluer, et d'enquêter sur la façon dont ces biomatériaux interagissent avec les systèmes biologiques. Puisant son inspiration dans les processus naturels, la recherche est de trouver d'autres moyens plus efficaces de synthèse de matériaux organiques.
BIOMIMETIQUE
La création de nouvelles familles de matériaux basés sur des systèmes biologiques - synthèse de matériaux biomimétiques - implique beaucoup plus que des structures simplement copient observées dans la nature. Les chercheurs ont également besoin d'apprécier les principes de construction utilisés dans leur construction. Ceci, à son tour, exige une compréhension approfondie de la relation entre la structure et la fonction.
Un domaine où cette approche a déjà été couronnée de succès est la minéralisation biomimétique. Biominéraux, comme la nacre, ont généralement des propriétés supérieures à créer artificiellement des matériaux avec une composition similaire. Les matériaux scientifiques ont découvert que biominéraux ne sont pas formés par le procédé de cristallisation classique, mais plutôt commencer par nanoparticules organisées unités de construction couplées avec des précurseurs amorphes ou même liquides. En se fondant sur les éléments de cette voie alternative, il est possible de faire une série de structures complexes cristallines de synthèse. En utilisant cette stratégie d'ingénierie de la nacre en laboratoire a donné une matière synthétique qui était pratiquement impossible à distinguer de la véritable biominéral.
MULTI-ÉCHELLE MODÉLISATION ET STRUCTURE
Dans de nombreux cas, les propriétés mécaniques extraordinaires des matériaux biologiques sont liés à leur structure hautement hiérarchisée en couches ou .La résistance à la rupture élevée des éponges de verre de haute mer est un bon exemple: les faisceaux de fibres de verre sont tissés comme dans un panier, en offrant une résistance mécanique; que, à plus petite échelle, chaque fibre est composée de couches concentriques de silice et d' une matrice organique, ce qui réduit considérablement la fragilité .
La relation entre la structure et les propriétés hiérarchique d'un matériau peut être exploré dans des modèles multi-échelles. Ces outils puissants permettent le comportement d'un matériau à être modélisée sur une gamme d'échelles de longueur et des périodes de temps. Les modèles peuvent être validés en comparant les résultats prévus avec des données expérimentales à chaque échelle d'intérêt, donnant un aperçu des principes généraux de la conception matérielle. Une approche multi-échelle est également utile lors de la simulation de la formation de certains matériaux biologiques que l'auto-organiser à de nombreux niveaux différents. Les protéines membranaires, par exemple, comptent sur ce processus d'auto-assemblage complexe pour leur grande flexibilité.
La science biomimétique promet d'être une valeur considérable pour les futurs défis de conception de matériel, que ce soit pour les biomatériaux ou d'autres applications mécaniques. Le développement d'électrodes à haute performance pour les batteries au lithium modernes est un bon exemple. Les matériaux choisis comme des électrodes de batterie sont souvent poreuses. Ce type de structure est favorisé car il fournit une grande surface pour des réactions d'échange d'électrons. Cependant, le motif de la porosité de ces matériaux est généralement réguliers ou parfois aléatoires - arrangements qui peuvent limiter le mouvement des électrons. La structure hiérarchique des pores des systèmes biologiques offre une façon similaire de grande surface, mais une résistance minimale à transporter. Dans le poumon, par exemple, quelques litres d'air peuvent être échangés en quelques secondes.
De nouveaux matériaux synthétiques conçus selon ce principe de porosité hiérarchisée montrent prometteurs comme électrodes de la batterie, en fonction de leur capacité de stockage et le taux de charge / décharge. Cela pourrait avoir des implications importantes pour le développement de batteries rechargeables pour les ordinateurs portables ou d'autres appareils mobiles.
VERS DE NOUVELLES CLASSES DE BIOMATÉRIAUX
Contrairement à des matériaux naturels, les biomatériaux peuvent inclure des composites synthétiques de haute performance. Les matériaux fonctionnels inorganiques peuvent être combinés avec des éléments organiques, par exemple , les polyélectrolytes et les monocouches auto-assemblées peuvent servir de modèles pour les protéines, les peptides, les acides aminés et les polysaccharides, l' ADN pour créer des biomatériaux à base d' oxyde ayant des propriétés mécaniques supérieures .
Savoir comment ces biomatériaux interagissent avec les systèmes biologiques est une autre ligne de recherche importante. Un changement subtil aux propriétés physiques ou chimiques d'un matériau peut faire une énorme différence pour la croissance des cellules, il est en contact avec. Cela est particulièrement important si le matériau doit être utilisé dans des applications cliniques, le génie biomédical ou même le contrôle de l'encrassement biologique. La probabilité que des cellules qui adhèrent à la surface d'un matériau peut par exemple dépendre des écartements de dimensions nanométriques entre les sites de liaison possibles ou la présence d'autres facteurs tels que les récepteurs d'intégrine, qui jouent un rôle important dans l'adhésion à une matrice extra-cellulaire par génération de force, traduire des signaux mécaniques en signaux biochimiques et communiquant avec les récepteurs des facteurs de croissance
la science biomimétique est inspiré non seulement par des matériaux naturels, mais aussi par des processus naturels. Les systèmes moléculaires actifs, tels que le transport intracellulaire et la réponse à des stimuli mécaniques, pourraient servir d’inspiration pour les dispositifs micromécaniques pour la conversion d'énergie, d’actionnement et / ou des applications de laboratoire sur puce .De même, les processus bio-géologiques stimulent nouvelle recherche, y compris la formation en laboratoire de charbon ou de matériaux dérivés de carbone à partir de déchets de la biomasse. De telles réactions sont effectuées à des températures élevées et reposent sur des catalyseurs pour produire des rendements qui seraient impossibles dans la nature. De nombreuses utilisations ont été proposées pour les structures de carbone synthétiques résultant, allant de conditionneurs de sol et des filtres d'eau aux matériaux hybrides haut de gamme pour les batteries au lithium . Une approche bio-géo-mimétique est, en outre, être utilisé pour identifier de capture et de stockage du carbone des solutions, ainsi que les piles à combustible qui n'émettent du dioxyde de carbone.
Il est possible de développer des matériaux multifonctionnels biologiques avec des structures hiérarchiques plus complexes à l'aide d'un point de vue des matériaux. Comprendre comment les matériaux et les cellules interagissent permettra un meilleur contrôle sur l'ingénierie tissulaire, et de contribuer à de nouvelles thérapies régénératives et des solutions de stockage d'énergie.
Moules marines utilisent byssus pour la fixation sur les roches dans les habitats balayées par les vagues. Des chercheurs de l'Institut Max Planck des colloïdes et interfaces avec des collègues de l'Université de Californie à Santa Barbara ont montré qu'une distribution inhomogène de liaisons transversales dans la cuticule de ces fils fournit à la fois l’extensibilité et la résistance à l’abrasion. Cette découverte pourrait aider à développer de nouveaux concepts pour les revêtements polymères