مواد خود ترمیم یا خود اصلاح شونده، با الهام از سیستم های بیولوژیک طراحی شده اند. این مواد به صورت جزئی یا به شکل کامل، آسیب های خودشان را درمان می کنند. با این ترمیم و درمان، خواص اصلی آنها نیز حفظ می شود. در این مقاله، به طور کامل با مواد خود ترمیم، انواع آن و کاربردهای این مواد آشنا می شوید.

مواد خود ترمیم و ویژگی های آن

مواد خود اصلاح شونده، در دسته ی مواد هوشمندی قرار دارند که به صورت خودکار، آسیب سطحی یا درونی خود را ترمیم می کنند. یکی از ویژگی های مهم این مواد بیولوژیکی این است که به محض آسیب دیدن توسط نیروهای خارجی، توانایی خود ترمیمی و بازیابی عملکرد خود را دارند.

این ویژگی خود اصلاح شوندگی، بطور طبیعی در بدن ما و در سطح مولکول های مجزا ازجمله ترمیم DNA وجود دارد. همچنین، در سطح میکروسکوپی ازجمله ترمیم یک زخم یا شکاف کوچک در انگشت، ترمیم آسیب های رگ های خونی، ترمیم استخوان شکسته مشاهده شده است.

بشر نیز از این ویژگی در ساخت مواد خود ترمیم استفاده کرده است. اما مواد ساخته شده توسط بشر، هنوز تا این میزان توانایی ترمیم را ندارند.

بعنوان مثال، پلیمرهای شکننده و کامپوزیت های ساختاری که از آنها شکل می گیرند، زمانی که در معرض بارگذاری ترمودینامیکی متعدد قرار گیرند، میکرو ترک ها ایجاد می شوند. در کامپوزیت های ساختاری، این میکرو ترک ها به هم پیوند می خورند. به هم پیوستگی میکرو ترک ها منجر به بروز سایر خرابی ها مانند جدا شدن فیبر از زمینه یا لایه ای شدن آنها می شود.

اغلب این آسیب ها بصورت عمقی رخ می دهند. بنابراین تشخیص و ترمیم آنها بسیار مشکل است. درنتیجه، دو الگوی «مدیریت آسیب» و «جلوگیری از آسیب» ، مبنای طراحی مواد مهندسی شده است.

انواع دسته بندی مواد خود ترمیم

مواد خود اصلاح شونده باتوجه به محرکی که برای شروع فرایند نیاز دارند، در دو نوع «مستقل» و «غیرمستقل» هستند.

مواد خود اصلاحی مستقل، به محرک های خارجی نیاز ندارند. خود آسیب در این مواد، محرکی برای انجام فرایند ترمیم محسوب می شود. اما مواد خود اصلاحی غیرمستقل، به تحریک خارجی مانند حرارت یا نور نیاز دارند. برای انجام فرایند ترمیم، با استفاده از محرک های خارجی مانند حرارت القایی یا نور لیزر و کنترل شرایط موجود، انرژی تامین می شود.

یک نوع دسته بندی دیگر برای مواد خود ترمیم، باتوجه به منشأ فرایند ترمیم انجام می شود. براین اساس، این مواد در دو نوع «درونی» و «برونی» دسته بندی می شوند.

مواد خود اصلاحی برونی، قابلیت نهان به منظور ترمیم خود به خودی را ندارند. در این مواد، فرایند خود اصلاح توسط مولفه های خارجی رخ می دهد. ازجمله این مولفه ها، می توان کپسول های نانو یا میکرو را نام برد. فاز متحرک توسط محتوای این کپسول ها بر روی قسمت آسیب دیده ایجاد می شود.

مواد خود ترمیم درونی به عوامل مجزا یا بیرونی نیاز ندارند. به همین دلیل، این مواد بیشتر استفاده شده و موردتوجه قرار گرفته اند. اما باتوجه به نوع مواد و مکانیزم اصلاح و ترمیم، همیشه نمی توان از آنها استفاده کرد. برهم کنش های فیزیکی که بین سطوح رخ می دهند مانند رطوبت یا چسبندگی را می توان از این دسته دانست. همچنین تشکیل پیوندهای شیمیایی در دسته مواد خود اصلاحی درونی قرار دارند.

انواع روش های خود اصلاح شوندگی

بطور کلی، خود اصلاحی به سه شیوه انجام می شود که عبارتند از: سیستم ترمیم رگه ای، سیستم ترمیم کپسولی و سیستم ترمیم ذاتی.

سیستم ترمیم رگه ای

در درون این گونه مواد خود ترمیم، رگه هایی توخالی مشاهده می شود که شبیه به فیبر یا کانال است که بعنوان عامل ترمیمی عمل می کند. درصورت پارگی، این عامل با بیرون ریختن، سبب ترمیم در بافت ها می شود.

سیستم ترمیم کپسولی

در درون این گونه مواد خود صلاح شونده، کپسول هایی موجود است که این کپسول ها حاوی مواد ترمیمی هستند.

این کپسول ها در داخل این مواد بعنوان عامل ترمیم شناخته شده اند. زمانی که در یک الیاف پارگی ایجاد شود، این کپسول ها نیز پاره شده و عامل ترمیم در آنها بیرون ریخته و سبب ترمیم بافت آسیب دیده می شود.

سیستم ترمیم ذاتی

این مواد خود ترمیم دارای قابلیت های ترمیم نهفته هستند. این مواد به کمک پیوندهای هیدروژنی و بخش مولکولی و درهم تنیدگی و همچنین واکنش های حرارتی بازگشت پذیر اقدام به ترمیم می کنند.

عده ای از محققان دریافتند که حضور نانو ذرات سیلیکای اصلاح شده با فلوئور آلکیل بر روی پوشش مثلا پارچه، کار ترمیم را انجام می دهد. این به دلیل خاصیت دفع مایعات با کشش سطحی بسیار پایین مانند اتانول است.

کاربردهای مواد خود اصلاح شونده

تمامی مواد طبیعی و سنتزی در فرایند استفاده، دچار آسیب هایی می شوند. درصورتی که میزان آسیب از یک حدی فراتر برود، باعث شکست قطعه و درنهایت، منجر به کاهش عملکرد دستگاه می گردد.

به کمک این مواد می توان آسیب را مدیریت کرده و قابلیت اطمینان محصولات را افزایش داد. مواد خود اصلاحی قادرند روند گسترش آسیب را معکوس کرده و طول عمر محصولات را افزایش دهند.

در تولید انرژی های جایگزین و جدید مانند خورشیدی، در فناوری های جدید نوری مانند LED و ایمپلنت های پزشکی، استفاده از مواد خود اصلاحی نقش مهمی دارد.

این مواد منجر به بهینه سازی بازده اقتصادی می شوند. طول عمر استنت ها به کمک این روش افزایش می یابد. درنتیجه، هزینه های درمانی به میزان زیادی کاهش می یابد. استفاده از مواد خود ترمیم در صنایع هوافضا و خودروسازی، باعث کاهش هزینه های انرژی و زیست محیطی می شود.

کاربرد مواد خود ترمیم در حوزه پزشکی

پلی اورتان ابر مولکولی یکی از کشفیات محققان دانشگاه ردینگ لندن است. این ماده خود اصلاحی قادر است در دمای بدن انسان یعنی 37 درجه سانتی گراد، خود را ترمیم کند. این ماده به هیچ وجه سمی نبوده و به همین دلیل محققان در تلاش هستند تا آن را در صنعت پزشکی استفاده کنند.

این تیم تحقیقاتی معتقدند که این ماده جدید می تواند باعث افزایش دوام باندها شود. استفاده از این ماده، سبب کاهش احتمال آسیب دیدن پوست درحال ترمیم به دلیل تعویض پوشش آن می شود.

با انجام اقدامات مهندسی بیشتر روی این ماده خود ترمیم، می توان به گونه ای آن را ارتقا داد که به مرور حل شود و بتوان از آن برای بخیه زخم های جراحی استفاده کرد.