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 coated by poly(dopamine methacrylamide-co-methoxyethyl
acrylate) (pDMA-co-MEA) to mimic the adhesion mechanism
of mussels [66]. The patch was made from PDMS covered
with fibrils of 400 nm in diameter and 600 nm in length.
The adhesion force of pDMA-co-MEA coated fibrils in wet
condition was reported to be 86.3 nN in comparison to the
value of 5.9 nN for the non-coated ones. Glass et al. investigated synergic effect of surface topography and coating
with DOPA-based polymers for adhesion under wet conditions. They found that the DOPA-coating increased the adhesion force by two folds [143]. Mahdavi et al. developed another gecko-inspired tissue adhesive by generating
nanosized posts with diameters ranging from 100 nm to 1 !m
and heights of 0.8—3 !m on the surface of PGSA using a
molding process (Figure 6A) [144]. The surface of the fabricated patterns was coated by a thin layer of oxidized
dextran aldehyde (DXT) to promote bonding to the tissue. Shear adhesion tests on patterned PGSA and

Kết quả (Việt) 1:

Biomimetic trong phẫu thuật vật liệuCác sinh vật đã tiến hóa qua hàng triệu năm đểcó được các kỹ năng để thích ứng với điều kiện môi trường vàđể nâng cao cơ hội sống còn của họ trong số các sinh vật khác.Thiên nhiên là đầy với ví dụ như trai, thằn lằn, vàcôn trùng dựa vào hiệu quả bám dính ướt hay khô bề mặt cho sự sống còn [134]. Các mô hình tự nhiên đãCác nhà khoa học tạo cảm hứng để phát triển các vật liệu mới và chiến lượcđể chế tạo hiệu quả hơn mô chất kết dính. Ở phần trước, chúng tôi đã thảo luận một số cảm hứng tự nhiênvật liệu như mussel protein chất kết dính và DOPA-based.Keo dán. Trong phần này, chúng tôi sẽ tập trung vào các chiến lược màsử dụng biomimetic nanotopography để nâng cao lực bám dính giữa chất kết dính thiết kế mô và cácmô xung quanh.Bám dính đảo ngược của gecko thằn lằn khô vàbề mặt thô đã thu hút các nhà khoa học để hiểu điều nàycơ chế độ bám dính và sau đó áp dụng một chiến lược tương tự đểthiết kế khô keo [135,136]. Lòng bàn chân của Gecko chứa mảngCác sợi microscale (setae) lần lượt chia thànhnấm-tipped Nano fibrils (spatula) để tạo thành một cấu trúc thứ bậc (hình 4) [137]. Sự kết hợp của vander Waals và mao mạch lực lượng tại khu vực liên lạc giữathìa và bề mặt tạo độ bám dính đảo ngược mạnh (lên đến10 N/cm2) [138]. Bắt chước các cấu trúc, vi mô và mug đã được sử dụng trong vài năm quađể tạo ra bề mặt rất dính [139]. Việc tạo một địa hình geckoinspired đòi hỏi một sự kết hợp của những điều sau đâyđặc điểm: (i) tỷ lệ khía cạnh cao cấu trúc (AR > 10); (ii)Các tính năng xéo để tạo độ bám dính đẳng hướng; (iii) cấu trúc với spatulate đầu; và (iv) các cấu trúc phân cấp.Ngoài ra, các vật liệu được sử dụng nên được linh hoạt đểcho phép diện tích tăng liên lạc giữa các miếng vá keovà bề mặt thô.Murphy et al. cũng chế tạo một địa hình phân cấp trên bề mặt của một miếng vá PU với một mô đun đàn hồisố 3 MPa [140]. PU bề mặt được che phủ bằng xéonấm đầu tipped microposts với 35! m, đường kính mũi và 100! m dài (hình 5 A-C). Kết quả của họ chỉ địnhcao đẳng hướng hành vi cho bài viết với lời khuyên xéo. Họchứng minh rằng 1 cm2 của các miếng vá có thể giữ trọng lượng 1 kg(∼10 N/cm2) theo hướng gripping (hình 5 d) [140].Trong một nghiên cứu khác, cùng một nhóm chế tạo một bản vá PUvới microscale xéo bài viết (600! m đầu đường kính và1.2 mm dài) nơi lời khuyên của họ đã được bao phủ bởi nhỏBài viết (112! m, đường kính mũi và 100! m dài) [141]. Họso sánh lực lượng bám dính của các bản vá lỗi có đôicấp địa hình với các giá trị cho bản vá lỗi và không có bài viết cấp đơn (hình 5E). Kết quả của họ gợi ýcấu trúc phân cấp tăng bám dínhlực lượng của gần như sáu nếp gấp [141]. Trong một nghiên cứu khác, Jeonget al. chế tạo poly(urethane acrylate) (PUA) Nanofibrils thông qua bản sao đúc với nấm như lời khuyên[142]. do sự hình thành của địa hình nanosized, họđạt được một độ bám dính cắt của 25 N/cm2, đó là 10 lầncao hơn so với báo cáo của Murphy et al. Jeong et al.cũng có thể kết hợp đúc và nhăn mặt để tạo rastretchable và reversibly bám dính bề mặt. Họ đã tạo ra poly(dimethylsiloxane) (PDMS) tấm bọcCác bài viết qua khuôn và sau đó được bảo hiểm những lời khuyên với UVcrosslinkable PUA. Họ có thể đạt được sức mạnh bám dính∼11 N/cm2 được đảo ngược và vẫn hầu như không đổi chu kỳ hơn 100 tập tin đính kèm và chi đội [24].Sự khác biệt lớn giữa các hoạt động của ướtchất kết dính và keo dán khô thảo luận ở trên là ẩm ướtmôi trường mô gecko lấy cảm hứng từ các bề mặt không thể tuân thủ. Ngoài ra, chất kết dính mô có nghĩa làlâu lâu dài và có độ bám dính không thể đảo ngược với các mô.Lee và ctv phát triển đầu tiên lấy cảm hứng từ gecko ướt và khôCác chất kết dính mà bề mặt của sợi địa hình được phủ một lớp do poly (dopamin methacrylamide-co-methoxyethylacrylate) (pDMA-co-MEA) để bắt chước các cơ chế độ bám dínhcủa trai [66]. Các bản vá đã được thực hiện từ PDMS bảo hiểmvới fibrils 400 nm đường kính và 600 nm tại chiều dài.Lực bám dính của pDMA-co-MEA tráng fibrils trong mưađiều kiện được báo cáo có 86,3 nN so với cácgiá trị nN 5,9 đối với những người không tráng. Kính et al. điều tra chuyên hiệu ứng bề mặt địa hình và lớp phủvới dựa trên DOPA polyme để bám dính dưới điều kiện ẩm ướt. Họ thấy rằng DOPA-sơn tăng lực bám dính hai nếp gấp [143]. Mahdavi et al. đã phát triển một lấy cảm hứng từ gecko mô chất kết dính bằng cách tạo rananosized bài viết với các đường kính khác nhau, từ 100 nm 1! mvà đỉnh cao của 0,8-3! m trên bề mặt của PGSA bằng cách sử dụng mộtép quá trình (hình 6A) [144]. Bề mặt của các mô hình chế tạo đã được bao phủ bởi một lớp mỏng mầudextran Anđêhít (DXT) để thúc đẩy liên kết đến các mô. Shear bài kiểm tra độ bám dính trên khuôn mẫu PGSA và

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 địa hình dạng sợi được phủ bằng poly (dopamine methacrylamide-co-methoxyethyl
acrylate) (pDMA-co-MEA) để bắt chước cơ chế bám dính
của trai [66]. Các bản vá đã được thực hiện từ PDMS phủ
với sợi 400 nm và có đường kính 600 nm dài.
Các lực lượng bám dính của pDMA-co-MEA sợi bọc trong ướt
điều kiện được báo cáo là 86,3 nN so với
giá trị 5,9 nN cho những người không tráng. Kính et al. điều tra hiệu quả Synergic địa hình bề mặt và sơn
với các polyme DOPA dựa cho độ bám dính trong điều kiện ẩm ướt. Họ thấy rằng DOPA-sơn tăng cường lực lượng bám dính của hai nếp gấp [143]. Mahdavi et al. phát triển một chất kết dính mô tắc kè lấy cảm hứng bằng cách tạo ra
bài viết nano có đường kính từ 100 nm đến 1! m
và chiều cao của 0,8-3! m trên bề mặt của PGSA sử dụng một
quá trình đúc (hình 6A) [144]. Các bề mặt của mẫu chế tạo được phủ bởi một lớp mỏng ôxi hóa
dextran aldehyde (DXT) để thúc đẩy liên kết đến các mô. Kiểm tra độ bám dính cắt trên khuôn mẫu PGSA và