Biomimetic nanostructured surgical

Biomimetic nanostructured surgical materials
Living organisms have evolved over millions of years to
acquire skills to adapt to the environmental conditions and
to enhance their survival chance among other creatures.
Nature is filled with examples such as mussels, lizards, and
insects that rely on efficient adhesion to wet or dry surfaces for survival [134]. These natural models have been
inspiring scientists to develop new materials and strategies
to fabricate more effective tissue adhesives. In the previous sections, we discussed some of the naturally inspired
materials such as mussel protein adhesives and DOPA-based
glues. In this section, we will focus on the strategies that
utilize biomimetic nanotopography to enhance the adhesion force between the engineered tissue adhesives and the
surrounding tissues.
The reversible adhesion of gecko lizards to dry and
rough surfaces has fascinated scientists to understand this
adhesion mechanism and then adopt a similar strategy to
design dry adhesives [135,136]. Gecko’s soles contain arrays
of microscale fibers (setae) which in turn are split into
mushroom-tipped nanoscale fibrils (spatula) to form a hierarchical structure (Figure 4) [137]. A combination of van
der Waals and capillary forces at the contact area between
spatula and surface creates strong reversible adhesion (up to
10 N/cm2) [138]. To mimic these structures, micro and nanotechnologies have been utilized over the past few years
to create highly adherent surfaces [139]. Creating a geckoinspired topography requires a combination of the following
characteristics: (i) high aspect ratio structures (AR > 10); (ii)
slanted features to create anisotropic adhesion; (iii) structures with spatulate head; and (iv) hierarchical structures.
In addition, the employed materials should be flexible to
allow an increased contact area between the adhesive patch
and rough surfaces.
Murphy et al. also fabricated a hierarchical topography on the surface of a PU patch with an elastic modulus
of 3 MPa [140]. The PU surface was covered with slanted
mushroom head tipped microposts with 35 !m tip diameter and 100 !m long (Figure 5 A—C). Their results indicated
highly anisotropic behavior for posts with slanted tips. They
demonstrated that 1 cm2 of the patch could hold 1 kg weight
(∼10 N/cm2) in the gripping direction (Figure 5D) [140].
In another study, the same group fabricated a PU patch
with microscale slanted posts (600 !m tip diameter and
1.2 mm long) where their tips were covered by smaller
posts (112 !m tip diameter and 100 !m long) [141]. They
compared the adhesion force of patches containing double
level topography with the values for patches with and without single level posts (Figure 5E). Their results suggested
that the hierarchical structure increased the adhesion
force by almost six folds [141]. In another study, Jeong
et al. fabricated poly(urethane acrylate) (PUA) nanoscale
fibrils through replica molding with mushroom-like tips
[142]. Due to the formation of nanosized topography, they
achieved a shear adhesion of 25 N/cm2, which was 10 times
higher than those reported by Murphy et al. Jeong et al.
also combined molding and surface wrinkling to create
stretchable and reversibly adhesive surfaces. They created poly(dimethylsiloxane) (PDMS) sheets covered with
posts through molding and then covered the tips with UV
crosslinkable PUA. They could achieve adhesion strength of
∼11 N/cm2 which was reversible and remained almost constant over 100 cycles of attachment and detachment [24].
The major difference between the operation of wet
adhesives and the dry adhesives discussed above is the wet
tissue environment in which gecko-inspired surfaces cannot adhere. In addition, tissue adhesives are meant to be
long lasting and have irreversible adhesion to the tissues.
Lee et al. developed the first gecko-inspired wet and dry
adhesives in which the surface of fibrous topography was

Kết quả (Việt) 2:

Phỏng sinh học vật liệu phẫu thuật có cấu trúc nano
sống sinh vật đã tiến hóa qua hàng triệu năm để
có được những kỹ năng để thích ứng với điều kiện môi trường và
nâng cao cơ hội sống sót của mình trong số các sinh vật khác.
Tự nhiên là đầy ví dụ như hến, thằn lằn và
côn trùng dựa trên độ bám dính hiệu quả các bề mặt ẩm ướt hoặc khô cho sự sống còn [134]. Những mô hình tự nhiên đã được
truyền cảm hứng cho các nhà khoa học để phát triển vật liệu và chiến lược mới
để chế tạo chất kết dính mô hiệu quả hơn. Trong phần trước, chúng ta đã thảo luận một số lấy cảm hứng từ tự nhiên
vật liệu như chất kết dính protein trai và DOPA dựa trên
keo. Trong phần này, chúng tôi sẽ tập trung vào các chiến lược mà
sử dụng nanotopography phỏng sinh học để tăng cường lực lượng bám dính giữa các chất kết dính mô thiết kế và các
mô xung quanh.
Độ kết dính đảo ngược của thằn lằn tắc kè khô và
các bề mặt thô có các nhà khoa học quyến rũ để hiểu điều này
cơ chế bám dính và sau đó áp dụng một chiến lược tương tự như
thiết kế kết dính khô [135.136]. Đế Gecko chứa mảng
các sợi siêu nhỏ (lông cứng) mà lần lượt được chia thành
các sợi nano nấm nghiêng (thìa) để tạo thành một cấu trúc phân cấp (Hình 4) [137]. Một sự kết hợp của van
der Waals và lực mao dẫn tại vùng tiếp xúc giữa
thìa và bề mặt tạo độ bám dính hồi phục mạnh (lên đến
10 N / cm2) [138]. Để bắt chước các cấu trúc, vi mô và công nghệ nano đã được sử dụng trong vài năm qua
để tạo bề mặt có độ dính [139]. Tạo một địa hình geckoinspired đòi hỏi một sự kết hợp của những điều sau đây
đặc điểm: (i) cơ cấu tỉ lệ cao (AR> 10); (ii)
các tính năng nghiêng để tạo độ bám dính không đẳng hướng; (iii) các cấu trúc với đầu thìa; và (iv) các cấu trúc phân cấp.
Ngoài ra, các vật liệu sử dụng cần linh hoạt để
cho phép một diện tích tiếp xúc tăng lên giữa các bản vá dính
và bề mặt gồ ghề.
Murphy et al. cũng chế tạo một địa hình thứ bậc trên bề mặt của một miếng vá PU với một mô đun đàn hồi
của 3 MPa [140]. Các bề mặt được bao phủ PU với xéo
nấm đầu nghiêng microposts với 35 đường kính tip! M và 100! M dài (Hình 5 A-C). Kết quả của họ chỉ ra
hành vi có dị hướng cho bài viết với lời khuyên nghiêng. Họ
đã chứng minh rằng 1 cm2 của các miếng vá có thể giữ 1 kg trọng lượng
(~10 N / cm2) theo hướng hấp dẫn (Hình 5D) [140].
Trong một nghiên cứu khác, cùng một nhóm chế tạo một bản vá PU
với micro nghiêng bài viết (600! m đường kính tip và
dài 1,2 mm), nơi lời khuyên của họ đã bị bao phủ bởi nhỏ hơn
bài viết (đường kính tip 112! m và 100! m dài) [141]. Họ
đã so sánh lực lượng bám dính của các bản vá lỗi có chứa hai
địa hình cấp với các giá trị cho các bản vá lỗi có và không có bài viết đơn cấp (Hình 5E). Kết quả của họ cho thấy
rằng cấu trúc thứ bậc tăng độ bám dính
lực của gần sáu nếp gấp [141]. Trong một nghiên cứu khác, Jeong
et al. chế tạo poly (urethane acrylate) (PUA) nano
sợi qua khuôn bản sao với nấm như mẹo
[142]. Do sự hình thành địa hình kích thước nanô, họ
đã đạt được một độ bám dính cắt của 25 N / cm2, mà là 10 lần
cao hơn so với báo cáo của Murphy et al. Jeong et al.
Cũng kết hợp đúc và nếp nhăn trên bề mặt để tạo ra
các bề mặt căng ra và nghịch dính. Họ đã tạo ra poly (dimethylsiloxane) (PDMS) Tấm phủ bằng
bài viết thông qua khuôn và sau đó được phủ những lời khuyên với UV
crosslinkable PUA. Họ có thể đạt được sức mạnh bám dính của
~11 N / cm2 mà đã hồi phục và vẫn gần như liên tục hơn 100 chu kỳ tập tin đính kèm và tách rời [24].
Sự khác biệt lớn giữa các hoạt động của ướt
chất kết dính và các chất kết dính khô thảo luận ở trên là ướt
môi trường mô trong mà bề mặt của tắc kè lấy cảm hứng từ không thể tuân thủ. Ngoài ra, chất kết dính mô có nghĩa là để được
lâu dài và có độ bám dính không thể phục hồi các mô.
Lee et al. phát triển ướt và khô tắc kè lấy cảm hứng đầu tiên
chất kết dính trong đó bề mặt của địa hình là xơ