Biomimetic materials design towards tough nanocomposites and strain-stiffening hydrogels

Julkaisun otsikon käännös: Biomimeettinen materiaalisuunnittelu kohti sitkeitä nanokomposiitteja ja myötöjäykistyviä hydrogeelejä

Lahja Martikainen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Biologisten luonnonmateriaalien, kuten proteiinien, polysakkaridien ja mineraalien, pohjana ovat vain muutamat alkuaineet. Biologisissa organismeissa ne muodostavat sopivia hierarkisia komposiittirakenteita, joiden ominaisuudet ja toiminnot ovat moninkertaisesti paremmat yksittäisiin komponentteihin nähden. Biomimetiikka pyrkii ottamaan mallia näistä luonnossa esiintyvistä materiaaleista, rakenteista ja toiminnoista ja soveltaa niitä teknisten ongelmien ratkaisussa. Väitöskirjassani keskityn kahteen luontoa esikuvanaan käyttävään materiaalisovellukseen: (i) lujat ja sitkeät helmiäistä jäljittelevät nanokomposiitit ja (ii) myötöjäykistyvät 3D-solunkasvatusalustat. Molemmissa sovelluskohteissa muokkasin nanokoon komponenteista koostuvien materiaalien mekaanisia ominaisuuksia ja tarkastelin loppumateriaalien rakenteen ja ominaisuuksien välisiä riippuvuuksia. Simpukan helmiäisen lujaa ja sitkeää rakennetta matkittiin kolloidisilla hiutaleilla, joiden sisus koostui yksittäisistä nanosavihiutaleista ja ulkokuori polymeereista. Kolloidiset hiutaleet itsejärjestyivät kerroksellisiksi nanokomposiittikalvoiksi. Julkaisuissa I ja II muokkasimme kolloidisten hiutaleiden vuorovaikutuksia DNA-pohjaisilla vetysitoutuvilla monofosfaateilla, mikä lisäsi lujuutta, jäykkyyttä ja sitkeyttä. Nanokomposiittikalvot olivat herkkiä kosteudelle. Julkaisussa III tutkimme kosteuden vaikutusta savipolymeerinanokomposiittikalvoihin. Näytimme, että kosteus lisäsi polymeerifaasin dynamiikkaa ja alensi nanokomposiitin lasitransitiolämpötilaa, mikä lisäsi kalvon sitkeyttä. Väitöskirjani jälkimmäisen osan materiaalien taustalla ovat myötöjäykistyvät proteiinigeelit, jotka on valmistettu soluvälianeen tai solun sisäisen tukirangan proteiineista. Julkaisussa IV näytämme, että agaroosihydrogeelit ovat myötöjäykistyviä. Julkaisussa V perehdyimme myötöjäykistymisilmiöön tarkemmin ja osoitimme, että agaroosihydrogeelit puristuvat kokoon leikkausjännityksessä. Tulokset viittaavat siihen, että entalpia määrittää agaroosigeelien mekaanista vastetta ja verkkorakenteen koordinaatioluku määrittelee myötöjäykistymisvasteen, kuten aiemmin on havaittu kollageenigeeleillä. Lopuksi julkaisussa VI näytämme, että agaroosihydrogeeli soveltuu solunkasvatusalustaksi luminaalisille ER-α+ rintasyöville. Biomimeettisen materiaalisuunnittelun tuloksena osoitan väitöskirjassani tavan kontrolloida savipolymeerinanokomposiittien mekaanisia ominaisuuksia. Näytän myös, kuinka agaroosihydrogeelien kuituverkkorakenne säätelee niiden mekaanista käyttäytymistä. Lopuksi esittelen agaroosipohjaisen hydrogeelikasvatusalustan, joka sopii myös mallialustaksi syöpälääketutkimukseen ja yksilöllisiin prekliinisiin rintasyöpälääketestauksiin.
Julkaisun otsikon käännösBiomimeettinen materiaalisuunnittelu kohti sitkeitä nanokomposiitteja ja myötöjäykistyviä hydrogeelejä
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Ikkala, Olli, Vastuuprofessori
  • Nonappa, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0360-1
Sähköinen ISBN978-952-64-0361-8
TilaJulkaistu - 2021
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • biomimiikka
  • helmiäinen
  • agaroosi
  • itsejärjestyminen
  • nanosavi
  • epälineaarinen viskoelastisuus
  • negatiivinen normaalijännitys
  • verkkorakenne

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Biomimeettinen materiaalisuunnittelu kohti sitkeitä nanokomposiitteja ja myötöjäykistyviä hydrogeelejä'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä