[논문 리뷰] Programming filamentous network mechanics by compression

Bart E. Vos, Luka C. Liebrand외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 27.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 압축 순환 시, 섬유상 생고분자 네트워크인 피브린 네트워크가 부착 결합 형성에 의해 유도된 하중에 의해 영구적이고 프로그래밍 가능한 경화를 겪는다는 것을 보여준다. 이 메커니즘은 네트워크 경도와 내재된 예비응력 사이의 보편적 거듭제곱 법칙 관계를 예측하는 최소한의 계산 모델로 설명되며, 구성에 관계없이 정밀하게 조절 가능한 섬유상 재료의 기계적 성질을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Fibrous networks are ideal functional materials since they provide mechanical rigidity at low weight. Such structures are omnipresent in natural biomaterials from cells to tissues, as well as in man-made materials from polymeric composites to paper and textiles. Here, we demonstrate that fibrous networks of the blood clotting protein fibrin undergo a strong and irreversible increase in their mechanical rigidity in response to compression. This rigidification can be precisely predetermined from the level of applied compressive strain, providing a means to program the network rigidity without having to change its composition. To identify the mechanism underlying this programmable rigidification, we measure single fiber-fiber interactions using optical tweezers. We further develop a minimal computational model of adhesive fiber networks that shows that load-induced bond formation can explain the adaptation of the fibrin networks to compressive loading. The model predicts that the network stiffness after compressive programming obeys a universal power-law dependence on the prestress built in by new bond formation, which we confirm experimentally. The generality of this functional stiffening mechanism together with our ability to quantitatively predict it provides a new powerful approach to program the stiffness of fibrous materials and dynamically adapt them to different loading conditions.

연구 동기 및 목표

• 압축 순환을 통해 피브린과 같은 섬유상 생고분자 네트워크에서 영구적인 경화가 유도되는지 조사하기.
• 이 경화의 물리적 메커니즘을 규명하고, 특히 하중 하에서의 부착 결합 형성의 역할을 특정하기.
• 압축 하중 하에서 부착 섬유 네트워크의 기계적 거동을 설명하고 예측할 수 있는 최소한의 계산 모델 개발하기.
• 결합 형성에 의해 발생하는 내부 예비응력에 기반한 정량적이고 보편적인 경도 프로그래밍 법칙 수립하기.
• 성분을 변경하지 않고도 섬유상 네트워크의 기계적 성질을 동적으로 정밀하게 프로그래밍할 수 있는지 보여주기.

제안 방법

• rheometer 플레이트 사이에서 피브린 네트워크를 중합시킨 후, 수분 유동을 허용하기 위해 평형 기간을 두고 단계적·천천히 압축 변형 주기(10% 증분)를 적용하였다.
• 각 변형 단계 동안 소형 진동 시험을 통해 시어 모odulus를 측정하였으며, 네트워크 반응을 추적하기 위해 수직력을 모니터링하였다.
• 단일 섬유 상호작용을 위해 광학 트랩을 사용하여 압축 중 개별 피브린 섬유 간의 힘과 결합 형성을 직접 측정하였다.
• 압축 하에서 섬유 간의 접합이 복구 거리 이내에서 형성되도록, 2차원 무질서한 삼각형 격자 모델을 개발하였다.
• 모델은 섬유 강성, 결합 에너지, 변형에 따라 변화하는 접합 형성 기반으로 구성되며, 네트워크 경도와 수직력을 변형률의 함수로 계산하였다.
• 실험 및 시뮬레이션 데이터를 정규화하고 스케일링하여 시어 모odulus와 내재된 수직 응력 간의 보편적 거듭제곱 법칙 행동을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성분을 변경하지 않고 압축 순환은 피브린 네트워크에서 영구적인 경화를 유도할 수 있는가?
• RQ2 압축 하중 하에서 관찰된 경화를 일으키는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 섬유 간의 하중 유도 결합 형성이 관찰된 기계적 적응을 설명할 수 있는가?
• RQ4 내부 예비응력과 네트워크 최종 경도 사이에 보편적인 스케일링 법칙이 존재하는가?
• RQ5 최소한의 계산 모델은 실험적 경화 반응을 정량적으로 재현하고, 그 압축 변형에 대한 의존성을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 피브린 네트워크는 압축 순환 후 강력하고 영구적인 경화를 보이며, 80% 압축 변형 후 시어 모odulus가 최대 3.5배 증가하였다.
• 경화는 영구적이며 압축 해제 후에도 유지되어 네트워크의 기계적 프로그래밍이 영구적으로 이루어졌음을 나타낸다.
• 광학 트랩 실험을 통해 압축 중 개별 피브린 섬유 간에 하중 유도 결합 형성이 직접 관찰되었다.
• 최소한의 계산 모델은 실험적 경화 반응을 성공적으로 재현하였으며, 하중 하에서의 결합 재구성 작용이 적응을 이끄는 것으로 확인되었다.
• 압축된 네트워크의 시어 모odulus는 내재된 수직 응력에 대해 보편적 거듭제곱 법칙 스케일링을 따르며, 기울기는 약 2/3로 시스템의 세부 사항과 무관하다.
• 거듭제곱 법칙 스케일링은 적용된 압축 변형 수준에 기반해 네트워크 경도를 정밀하고 정량적으로 예측할 수 있게 한다.