Yield kinetics and creep in nanofibrous materials for bio-medical applications

Vårt team har primært fokusert på numerisk reproduksjon av hvordan polymeriske fibre ryker ved moderat strekk-belastning, forårsaket av den geometriske belastningen av individuelle kjeder og av termiske fluktuasjoner. Denne tilsynelatende enkle prosessen viser seg å være ytterst kompleks på den mikroskopiske skalaen til atomer og molekyler, som finner sted gjennom tilfeldige initielle defekter (sprekker) som sakte propagerer med tiden, og tilslutt forårsaker en endelig kollektiv kollaps. Ved siden av å være grunnforskning, er vårt studie motivert av interessen for mekaniske egenskaper til fibre laget av bio-polymerer, slik som proteiner, polysakkarider (dvs. sukkerkomplekser), bundter av DNA og RNA-fibre. De mekaniske egenskapene til disse systemene har biologiske implikasjoner. For eksempel, kreftceller skiller seg fra friske også i form av stivhet og elastisitet, skjørhet eller styrke, osv. Videre er de fleste bio-systemer som er relevante for vårt arbeid av nanometrisk målestokk. Altså vil innsikten oppnådd gjennom vår forskning kunne overføres til en rekke andre forskningsfelt, inkludert bio-medisin, farmakologi og spesielt medisinlevering, nanoteknologi. Vår forskning har tillatt oss å identifisere generelle egenskaper ved de etterfølgende stadiene som karakteriserer bruddprossesen i bio-polymerer under strekk, og synliggjør spesielt effekten av den nanometriske systemstørrelsen. For eksempel, sekvensen av nukleasjoner etter den første sprekken, som forplanter seg gjennom systemet helt til systemet sprekker opp fullstendig foregår på en annen måte i makroskopiske systemer enn i nanometriske fibre. Vi forstår nå også bedre rolle kjemien og samspillet mellom fibrene i en bunt. Det pågår ytterligere undersøkelser angående termodynamikken i ikke-lineær strekk før brudd.

The project ended up focusing on the mechanical and thermodynamic properties of PEO (Polyethylene Oxide) polymer bundles as a model for bio and bio-inspired materials like tendons. The approach was mainly theoretical/computational and involved a close collaboration between physical chemists and computational physicists/material scientists.

Polymeric fibres made of proteins and of polysaccharides represent one of the important structural motifs of bio-systems. In living organisms, fibres are usually assembled in bundles, inter-linked to form gels, or incorporated into bio-minerals, giving origin to a variety of extended tissues such as muscles, cartilage and bones. Present days technology strives to match the properties of these remarkable materials, in many cases attempting to imitate their hierarchical structures, starting from the molecular building blocks to the texture of macroscopic tissues. The focal interest of our experimental and computational/theoretical collaboration are bio- and bio-inspired fibrous materials for bio-medical applications, exemplified by bio-compatible polymeric adhesives for surgical sutures, gel scaffolds for skin regeneration, artificial tissues to replace tendons and cartilage structures. Our plan has an applied and a basic science content. The applied side consists in the development of computer codes able to predict mechanical properties of macroscopic samples and tissues from the structure and elastic behaviour of the individual fibres, based on their self-assembly into bundles and gels. To achieve this goal, a great deal of new basic understanding is required, concerning the role of the hierarchical supra-molecular organisation of proteins and saccharide polymers into extended 3D structures.To this aim, computations and experiments will be carried out to infer mechanical properties of macroscopic samples and tissues from the structure and elastic behaviour of the individual fibres, accounting for defects, for density fluctuations, for translational and orientation ordering. A graduate student and a Researcher (Dr. Rajesh Kumar, 1 year) are required to carry out the project. The organisation of our plan and the composition of our team are meant to pave the way for a larger and more ambitious undertaking on the European scale under the Horizon-2020 framework