Bioinspired Materials with Self‐Adaptable Mechanical Properties

材料科学 承重 机械故障 压电 限制 矿化(土壤科学) 纳米技术 复合材料 压力(语言学) 机械工程 工程类 医学 语言学 哲学 物理 外科 量子力学 氮气
作者
Santiago Orrego,Zhezhi Chen,Urszula Krekora,Decheng Hou,Seung‐Yeol Jeon,Matthew Pittman,Carolina Montoya,Yun Chen,Sung Hoon Kang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (21) 被引量:69
标识
DOI:10.1002/adma.201906970
摘要

Natural structural materials, such as bone, can autonomously modulate their mechanical properties in response to external loading to prevent failure. These material systems smartly control the addition/removal of material in locations of high/low mechanical stress by utilizing local resources guided by biological signals. On the contrary, synthetic structural materials have unchanging mechanical properties limiting their mechanical performance and service life. Inspired by the mineralization process of bone, a material system that adapts its mechanical properties in response to external mechanical loading is reported. It is found that charges from piezoelectric scaffolds can induce mineralization from surrounding media. It is shown that the material system can adapt to external mechanical loading by inducing mineral deposition in proportion to the magnitude of the stress and the resulting piezoelectric charges. Moreover, the mineralization mechanism allows a simple one-step route for fabricating functionally graded materials by controlling the stress distribution along the scaffold. The findings can pave the way for a new class of self-regenerating materials that reinforce regions of high stress or induce deposition of minerals on the damaged areas from the increase in mechanical stress to prevent/mitigate failure. It is envisioned that the findings can contribute to addressing the current challenges of synthetic materials for load-bearing applications from self-adaptive capabilities.

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