Name: biomaterials in medicine and engineering
Uploaded: 2023-04-30T06:32:59.000Z
Duration: 7 min 44 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Arizona Science Standards

High School

Physical Science

HS.P1

HS.P1U3.4

Overview of Biomaterials

<div class="chapter_text" id="script_0">ביולוגיה משמשת כיום כדי לענות על אתגרים הנדסיים כמו חומרים נגזר ביולוגית להציע תכונות מפתח כי חומרים מעשה ידי אדם לא יכול. חומרים ביו נגזרים, המכונים לעתים ביו-חומרים, נוצרים מאורגניזמים חיים או פעם חיים. חומרים אלה צברו פופולריות לאחרונה כפי שהם תואמים ביולוגית והוא יכול לשמש מטריצות שיכולות לשכן biomolecules ותאים. וידאו זה יציג מספר חומרים ביו נגזר ולהציג טכניקות ואתגרים נפוצים בתחום.</div><div class="chapter_text" id="script_1">ישנם פולימרים רבים שמקורם ביולוגית, או ביופולימרים, המשמשים במחקר ביו-הנדסה. ראשית, קולגן הוא פולימר חלבון בשימוש נרחב המופק בדרך כלל מעור בקר, גיד ועצמות ואפילו זנבות חולדה. סיבי קולגן בעלי מבנה סליל משולש המעניק את הכוח החומרי והנוקשות. בגלל מאפיין זה, קולגן משמש לעתים קרובות כמרכיב מבני של מבנים רקמה מהונדסת במיוחד בעצם ובעור כמו רקמה מלאכותית. פולימר חלבון נפוץ נוסף הוא משי שמקורו בפקעת של זחלי עש משי. המבנה המשני של חלבון זה כולל אזורים גבישיים עצומים של יריעות בטא המאפשרות חוזק וגמישות גבוהים. כמו עם קולגן, משי משמש לעתים קרובות כמרכיב המבני של רקמות מלאכותיות, בדרך כלל ברקמה גמישה כמו עור ושרירים. עם זאת, משי הוא גם יצוק כמו סרט דק עבור מכשירים אופטיים, כמו גם מצעים מכשיר חשמלי. צ'יטוסאן, ביופולימר נוסף, הוא הפוליסכריד המופק מקליפות סרטנים כמו סרטנים או לובסטרים. המסיסות של הפולימר מבוססת pH. זה מאפשר שליטה פשוטה של תהליכי ייצור על ידי הגדלת ה- pH כדי לחזק את החומר. Chitosan משמש לעתים קרובות ריפוי פצעים על ידי יצירת סרט כי הוא biocompatible עם רקמות מתחדשות.</div><div class="chapter_text" id="script_2">עכשיו בואו נסתכל על כמה שיטות בולטות המשמשות לתפעל את הביו-חומרים האלה. ראשית, ביו-חומרים מלוהק לעתים קרובות כהידרוג'ל כדי ליצור מבנה הידרופילי מאוד עם תאימות ביולוגית מוגברת. הידרוג'ל היא רשת פולימרים מוצקה עם תכולת מים גבוהה ומשמשת לעתים קרובות כמבנה רקמה ברקמה מלאכותית. כדי להפוך הידרוג'ל עם קולגן, תחילה לחמם את הפולימר בתמיסה מימית, כמו מדיה צמיחה, ולאחר מכן להטיל את הפתרון בתבנית. לאחר מכן הפתרון מקורר עד מוצק. חיבור UV יכול לשמש גם כדי לשפר את היציבות של הג'ל על ידי קישור covalently שאריות על שרשראות הפולימר. לחלופין, חרוזים הידרוג'ל ניתן ליצור על ידי הוספת פתרון פולימר dropwise לפתרון crosslinking. החרוזים משמשים לאחר מכן לייצוב תאים בחלבונים. ביו-חומרים יכולים לשמש גם ליצירת מחצלות סיביות באמצעות אלקטרוספין. טכניקה זו מבוצעת על ידי יישום שדה חשמלי בין משטח אספן לקצה מזרק המכיל פתרון ביופולימרי. זה יוצר היווצרות של סיבים microscale אשר לאחר מכן ליצור מבנים המחקים את המטריצה חוץ תאית ברקמה. לחלופין, ניתן להכין סרטים דקים ביו-חומריים באמצעות אלקטרודות. בשביל זה, פוטנציאל מוחל על תא אלקטרודה שני המכיל את הפתרון biomaterial. הביו-חומרים נודדים לאחת האלקטרודות ויוצרות סרט דק על פני השטח. סרטים דקים אלה יכולים לשמש כדי להפוך את פני השטח biocompatible, למשל, כדי לייצב אנזימים מורכבים פני השטח בתאים. במקרה זה, סרט דק chitosan מייצב את האנזים גלוקוז אוקסידאז. בנוסף, ביו-חומרים הם לעתים קרובות פתרון יצוק על משטח כדי ליצור סרט דק. הפתרון הוא ירד תחילה על מצע ולאחר מכן מיובש כדי להסיר את כל הממס. עובי הסרט נשלט באמצעות נפח וריכוז הפתרון.</div><div class="chapter_text" id="script_3">למרות ביו-חומרים נמצאים בשימוש נרחב ביו-הנדסה, ישנם אתגרים אינהרנטיים הקשורים לשימוש בהם. ראשית, ביו-חומרים הם בעלי תכונות טבעיות הנשלטות על ידי המקור והמבנה המולקולרי שלהם. בעוד חומרים אלה ניתן לרתום עבור מגוון רחב של יישומים, שינוי המאפיינים הטבועים שלהם יכול להיות קשה. בנוסף, עיבוד החומר משנה את תכונותיהם, לפעמים בצורה שלילית. ביו-חומרים נגזרים ממקורות טבעיים שיכולים להשתנות בהתאם למינים האורגניזמים ולגורמים סביבתיים כמו העונה. הדבר עלול לגרום לשינוייות אצווה לאצווה הגורמת להבדלים קטנים ביישום הסופי. לבסוף, רוב הביו-חומרים מסיסים במים ובכך מגבילים את יציבותם. מאחר שיישומים מסוימים דורשים שהחומר יהיה קבוע, ייתכן שיידרשו טכניקות הצלבה או ייצוב כדי להאריך את חייהם. עם זאת, זה יכול לגרום לשינויים לא רצויים בתכונות המכניות.</div><div class="chapter_text" id="script_4">חומרים המופקים ביולוגית משמשים במגוון רחב של יישומים במחקר הנדסה ביולוגית. ראשית, ביו-חומרים משמשים לעתים קרובות ביישומי אספקת תרופות שכן הם בדרך כלל מתכלים ו biocompatible. לדוגמה, הידרוג'לים מציעים מטריצה ביו-תואמת המסוגלת להכיל מולקולות תרופות רגישות. הם מתפרקים בקצב צפוי בהתאם למאפיינים של החומר ובכך מאפשרים שחרור מבוקר של תרופה. ביו-חומרים שימשו בהרחבה ברפואה, במיוחד עם תפרי משי ועם תחבושות ודבקים מבוססי צ'יטואסן לריפוי פצעים. בדוגמה זו, סרטי דבק כירורגי chitosan הוכנו עם צבע אבחון רפואי. מאוחר יותר הם הותכו על פני רקמה חתוכה כדי לסגור את הפצע כחלופה לתפרים. אזור מתפתח של שדה הביו-חומרים מטפל בחלבונים וביומולקולים אחרים, כגון DNA במקרה זה, כחומרים פולימריים. בשביל זה, גדילי DNA מתוכננים עם רצף מסוים אשר גורם קיפול מדויק של גדיל ה- DNA למבנים ודפוסים מורכבים הנקראים אוריגמי DNA. לאחר מכן ניתן להשתמש במבנים אלה כדי ליצור מכלולים פונקציונליים המסוגלים לחוש רמזים ביולוגיים, לשנות צורה או לשחרר ביומולקולים מוטבעים.</div><div class="chapter_text" id="script_5">הרגע צפית בסקירה של ג'וב על חומרים שמקורם ביולוגית. עכשיו אתה צריך להבין את המקורות והמאפיינים של כמה ביו-חומרים נפוצים, כמה טכניקות המשמשות במעבדה כדי לעבד אותם, וכמה אתגרים הקשורים לשימוש בהם. תודה שצפיתם.</div>

סקירה כללית של ביו-חומרים

ביו-חומרים הם חומרים שתוכננו לקיים אינטראקציה חיובית עם אורגניזמים ביולוגיים או מולקולות. חומרים אלה יכולים להיגזר או מיוצרים על ידי אורגניזם, או אפילו יכול להיות פולימר מסונתז. מהנדסים משתמשים בחומרים חדשניים אלה במגוון רחב של יישומים, כגון הנדסת רקמות, ביוס-חשים ואספקת תרופות.
וידאו זה מציג חומרים נפוצים שמקורם ביולוגית, ומספק דוגמאות לטכניקות נפוצות המשמשות לעיבודם. אתגרים מרכזיים בתחום נדונים, יחד עם מספר יישומים של שיטות אלה.

Biomaterials are materials engineered to interact favorably with biological organisms or molecules. These materials can be derived from or produced by an ...

ביולוגיה משמשת כיום כדי לעמוד באתגרים הנדסיים מכיוון שחומרים שמקורם ביולוגי מציעים תכונות מפתח שחומרים מעשה ידי אדם אינם יכולים. חומרים שמקורם בביולוגיקה, שנקראים לפעמים ביו-חומרים, נוצרים מאורגניזמים חיים או שהיו פעם חיים. חומרים אלה צברו פופולריות לאחרונה מכיוון שהם תואמים ביולוגית ויכולים לשמש כמטריצות שיכולות להכיל ביומולקולות ותאים. סרטון זה יציג מספר חומרים שמקורם ביולוגי ויציג טכניקות ואתגרים נפוצים בתחום. ישנם פולימרים רבים שמקורם ביולוגית, או ביופולימרים, המשמשים במחקר ביו-הנדסה. ראשית, קולגן הוא פולימר חלבון בשימוש נרחב המופק בדרך כלל מעור בקר, גידים ועצמות ואפילו זנבות חולדות. סיבי קולגן הם בעלי מבנה סליל משולש המעניק לחומר חוזק ונוקשות. בגלל הסגולה הזו, קולגן משמש לעתים קרובות כמרכיב מבני של רקמות מהונדסות, במיוחד בעצמות ובעור, כמו רקמות מלאכותיות. פולימר חלבון נפוץ נוסף הוא משי שמקורו בפקעת של זחלי עש המשי. המבנה המשני של חלבון זה כולל אזורים גבישיים עצומים של יריעות בטא המאפשרים חוזק וגמישות גבוהים. בדומה לקולגן, לעתים קרובות משתמשים במשי כמרכיב המבני של רקמות מלאכותיות, בדרך כלל ברקמות גמישות כמו עור ושרירים. עם זאת, משי יצוק גם כסרט דק למכשירים אופטיים כמו גם למצעי מכשירים חשמליים. צ'יטוזן, ביופולימר נוסף, הוא הפוליסכריד שמקורו בקונכיות סרטנים כמו סרטנים או לובסטרים. המסיסות של הפולימר מבוססת pH. זה מאפשר שליטה פשוטה בתהליכי הייצור על ידי הגדלת ה-pH למיצוק החומר. צ'יטוזן משמש לעתים קרובות בריפוי פצעים על ידי יצירת סרט התואם ביולוגית לרקמה מתחדשת. כעת בואו נסתכל על כמה שיטות בולטות המשמשות למניפולציה של הביו-חומרים האלה. ראשית, ביו-חומרים נוצקים לעתים קרובות כהידרוג'ל כדי ליצור מבנה הידרופילי מאוד עם תאימות ביולוגית מוגברת. הידרוג'ל הוא רשת פולימרית דמוית מוצק עם תכולת מים גבוהה ומשמש לעתים קרובות כמבנה רקמה ברקמה מלאכותית. כדי להכין הידרוג'ל עם קולגן, תחילה מחממים את הפולימר בתמיסה מימית, כמו מצע גידול, ואז יוצקים את התמיסה בתבנית. לאחר מכן התמיסה מקוררת עד שהיא מוצקה. ניתן להשתמש בקישור צולב UV גם כדי לשפר את יציבות הג'ל על ידי קישור קוולנטי של שאריות על שרשראות הפולימר. לחלופין, ניתן ליצור חרוזי הידרוג'ל על ידי הוספת תמיסת הפולימר טיפתית לתמיסת קישור צולב. לאחר מכן משתמשים בחרוזים לייצוב תאים בחלבונים. ניתן להשתמש בביו-חומרים גם ליצירת מחצלות סיביות באמצעות אלקטרו-ספינינג. טכניקה זו מבוצעת על ידי הפעלת שדה חשמלי בין משטח אספן לקצה מזרק המכיל תמיסת ביופולימר. זה גורם להיווצרות סיבים בקנה מידה מיקרו אשר לאחר מכן יוצרים מבנים המחקים את המטריצה החוץ-תאית ברקמה. לחלופין, ניתן להכין סרטים דקים של ביו-חומר באמצעות אלקטרודפוזיציה. לשם כך, פוטנציאל מוחל על תא שתי אלקטרודות המכיל את תמיסת הביו-חומר. החומר הביולוגי נודד לאחת האלקטרודות ויוצר סרט דק על פני השטח. ניתן להשתמש בסרטים דקים אלה כדי להפוך משטח לתואם ביולוגית, למשל, לייצוב אנזימים המורכבים על פני השטח בתאים. במקרה זה, סרט דק של צ'יטוזן מייצב את האנזים גלוקוז אוקסידאז. בנוסף, ביו-חומרים הם לעתים קרובות תמיסה יצוקה על משטח ליצירת סרט דק. התמיסה נופלת תחילה על מצע ואז מיובשת כדי להסיר את כל הממס. עובי הסרט נשלט באמצעות נפח וריכוז התמיסה. למרות שביו-חומרים נמצאים בשימוש נרחב בביו-הנדסה, ישנם אתגרים מובנים הקשורים לשימוש בהם. ראשית, לביו-חומרים יש תכונות טבעיות שנשלטות על ידי המקור והמבנה המולקולרי שלהם. בעוד שניתן לרתום חומרים אלה למגוון רחב של יישומים, שינוי התכונות הטבועות בהם יכול להיות קשה. בנוסף, עיבוד החומר משנה את תכונותיהם, לפעמים בצורה שלילית. ביו-חומרים נגזרים ממקורות טבעיים שיכולים להשתנות בהתאם למין האורגניזם ולגורמים סביבתיים כמו עונה. זה יכול לגרום לשונות מאצווה לאצווה שגורמת להבדלים קטנים ביישום הסופי. לבסוף, רוב הביו-חומרים מסיסים במים ובכך מגבילים את יציבותם. מכיוון שיישומים מסוימים דורשים שהחומר יהיה קבוע, ייתכן שיידרשו טכניקות הצלבה או ייצוב כדי להאריך את חייהם. עם זאת, זה יכול לגרום לשינויים לא רצויים בתכונות המכניות. חומרים שמקורם ביולוגי משמשים במגוון רחב של יישומים במחקר ביו-הנדסה. ראשית, ביו-חומרים משמשים לעתים קרובות ביישומי אספקת תרופות מכיוון שהם בדרך כלל מתכלים ותואמים ביולוגית. לדוגמה, הידרוג'לים מציעים מטריצה תואמת ביולוגית המסוגלת להחזיק מולקולות תרופות רגישות. הם מתכלים בקצב צפוי בהתאם לתכונות החומר ובכך מאפשרים שחרור מבוקר של תרופה. נעשה שימוש נרחב בביו-חומרים ברפואה, במיוחד עם תפרי משי ועם תחבושות ודבקים על בסיס צ'יטוזן לריפוי פצעים. בדוגמה זו, סרטי דבק כירורגיים של צ'יטוזן הוכנו עם צבע אבחון רפואי. מאוחר יותר הם אוחדו על פני רקמה חתוכה כדי לסגור את הפצע כחלופה לתפרים. תחום מתפתח בתחום הביו-חומרים מתייחס לחלבונים ולביו-מולקולות אחרות, כמו למשל דנ"א במקרה זה, כחומרים פולימריים. לשם כך, גדילי DNA מתוכננים עם רצף ספציפי הגורם לקיפול מדויק של גדיל ה-DNA למבנים ודפוסים מורכבים הנקראים אוריגמי DNA. לאחר מכן ניתן להשתמש במבנים אלה ליצירת מכלולים פונקציונליים המסוגלים לחוש רמזים ביולוגיים, לשנות צורה או לשחרר ביומולקולות משובצות. זה עתה צפיתם בסקירה של JoVE על חומרים שמקורם ביולוגית. כעת אתם אמורים להבין את המקורות והתכונות של כמה ביו-חומרים נפוצים, חלק מהטכניקות המשמשות במעבדה כדי לעבד אותם, וכמה אתגרים שקשורים לשימוש בהם. תודה שצפית.

Education

JoVE Science Education

Engineering

הנדסה

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

biomaterials in medicine and engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications.

These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological signals, and drug delivery uses them to help carry medicines where they are needed.

The video also introduces common biologically derived materials and shows several ways to process them. It discusses the main challenges in the field as well. Together, these examples show how biomaterials support practical uses in science and engineering.

Biomaterials in Medicine and Engineering

overview of biomaterials

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

This collection covers core bioengineering concepts, which include production of biomaterials, histotypic and whole organ tissue cultures, bioprocessing techniques, and the complex system-level fields of bioMEMs and biosensing.


Explore biomaterials used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery, plus common biologically derived materials, processing methods, and key challenges.

Biomaterials in Medicine and Engineering | JoVE K12

Florida Department of Education

Life Science

SC.912.L.16

SC.912.L.16.10

Overview

Common Biomaterials

Prominent Methods

Key Challenges

Applications

Summary

Scientific Laws and Theories

Scientific Laws

In science, a law is defined as a concise, verbal or mathematical, statement that summarizes a vast number of experimental observations. ...

The Atomic Theory of Matter

The earliest recorded discussion of the basic structure of matter comes from ancient Greek philosophers. Leucippus and Democritus argued that all matter ...

Subatomic Particles

Dalton was only partially correct about the particles that make up matter. All matter is composed of atoms, and atoms are composed of three smaller ...

Elements: Chemical Symbols and Isotopes

A chemical symbol is an abbreviation used to indicate an element or an atom of an element. For example, the symbol for mercury is Hg. The same symbol is ...

The Periodic Table

As early chemists discovered more elements, they realized that various elements could be grouped by their similar chemical behaviors. One such grouping ...

The Bohr Model

Following the work of Ernest Rutherford and his colleagues in the early twentieth century, the picture of atoms consisting of tiny dense nuclei surrounded ...

The Quantum-Mechanical Model of an Atom

Shortly after de Broglie published his ideas that the electron in a hydrogen atom could be better thought of as being a circular standing wave instead of ...

Quantum Numbers

It is said that the energy of an electron in an atom is quantized; that is, it can be equal only to certain specific values and can jump from one energy ...

Atomic Orbitals

An atomic orbital represents the three-dimensional regions in an atom where an electron has the highest probability to reside. The radial distribution ...

The Aufbau Principle and Hund's Rule

To determine the electron configuration for any particular atom, we can build the structures in the order of atomic numbers. Beginning with hydrogen, and ...

electron-configuration-of-multielectron-atoms

Electron Configuration of Multielectron Atoms

The alkali metal sodium (atomic number 11) has one more electron than the neon atom. This electron must go into the lowest-energy subshell available, the ...

Periodic Classification of the Elements

The periodic table arranges atoms based on increasing atomic number so that elements with the same chemical properties recur periodically. When their ...

atomic-radii-and-effective-nuclear-charge

Atomic Radii and Effective Nuclear Charge

The elements in groups of the periodic table exhibit similar chemical behavior. This similarity occurs because the members of a group have the same number ...

Ionization Energy

The amount of energy required to remove the most loosely bound electron from a gaseous atom in its ground state is called its first ionization energy ...

Electron Affinity

The electron affinity (EA) is the energy change for adding an electron to a gaseous atom to form an anion (negative ion).



This process can be either ...

Alkali Metals

Group 1 elements are soft and shiny metallic solids. They are malleable, ductile, and good conductors of heat and electricity. The melting points of the ...

Halogens

Group 17 elements, known as halogens, are nonmetals. At room temperature, fluorine and chlorine are gases, bromine is a liquid, and iodine a solid. ...

Noble Gases


The elements in group 18 are noble gases (helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon). They earned the name &ldquo;noble&rdquo; because they were ...

Develop and use models to explain the relationship of the structure of atoms to patterns and properties observed within the Periodic Table and describe how these models are revised with new evidence.

HS.P1U1.1

Types of Chemical Bonds

Chemical bonding theories were pioneered by American chemist Gilbert&#xA0;N. Lewis. He developed a model called the Lewis model to explain the type and ...

Lewis Symbols and the Octet Rule

Chemical bonds are complex interactions between two or more atoms or ions, which reduce the potential energy of the molecule. Gilbert N. Lewis developed a ...

Ions and Ionic Charges

In ordinary chemical reactions, the nucleus &mdash; which contains the protons and neutrons of each atom and thus identifies the element &mdash; remains ...

Ionic Bonding and Electron Transfer

Ions are atoms or molecules bearing an electrical charge. A cation (a positive ion) forms when a neutral atom loses one or more electrons from its valence ...

ionic-compounds-formulas-and-nomenclature

Ionic Compounds: Formulas and Nomenclature

An element composed of atoms that readily lose electrons (a metal) can react with an element composed of atoms that readily gain electrons (a nonmetal) to ...

Covalent Bonding and Lewis Structures

Compared to ionic bonds, which results from the transfer of electrons between metallic and nonmetallic atoms, covalent bonds result from the mutual ...

Electronegativity

Whether a bond is nonpolar or polar covalent is determined by a property of the bonding atoms called electronegativity.&#xA0;

Electronegativity values of ...

lewis-structures-of-molecular-compounds-and-polyatomic-ions

Lewis Structures of Molecular Compounds and Polyatomic Ions

To draw Lewis structures for complicated molecules and molecular ions, it is helpful to follow a step-by-step procedure as outlined:


	Determine the ...

molecular-compounds-formulas-and-nomenclature

Molecular Compounds: Formulas and Nomenclature

Molecular compounds or covalent compounds result when atoms share electrons to form covalent bonds. Since there is no electron transfer, molecular ...

Polar Covalent Bonds

Covalent bonds are formed between two atoms when both have similar tendencies to attract electrons to themselves (i.e., when both atoms have identical or ...

Bonding in Metals

Metallic bonds are formed between two metal atoms. A simplified model to describe metallic bonding has been developed by Paul Dr&#xFC;de called the ...

Develop and use models for the transfer or sharing of electrons to predict the formation of ions, molecules, and compounds in both natural and synthetic processes.

HS.P1U1.2

Reaction Rate

The rate of reaction is the change in the amount of a reactant or product per unit time. Reaction rates are therefore determined by measuring the time ...

Concentration and Rate Law

The rate of a reaction is affected by the concentrations of reactants. Rate laws (differential rate laws) or rate equations are mathematical expressions ...

Temperature Dependence on Reaction Rate

The Collision Theory
Atoms, molecules, or ions must collide before they can react with each other. Atoms must be close together to form chemical bonds. ...

Reaction Mechanisms

Chemical reactions often occur in a stepwise fashion, involving two or more distinct reactions taking place in a sequence. A balanced equation indicates ...

Catalysis

The presence of a catalyst affects the rate of a chemical reaction. A catalyst is a substance that can increase the reaction rate without being consumed ...

Enzymes

Inside living organisms, enzymes act as catalysts for many biochemical reactions involved in cellular metabolism. The role of enzymes is to reduce the ...

determining-rate-laws-and-the-order-of-reaction

Determining Rate Laws and the Order of Reaction

Source: Laboratory of Dr. Neal Abrams &#8212; SUNY College of Environmental Science and Forestry
All chemical reactions have a specific rate defining the ...

Introduction to Catalysis

Source: Laboratory of Dr. Ryan Richards &#8212; Colorado School of Mines
Catalysis is among the most important fields of modern technology and presently ...

Ask questions, plan, and carry out investigations to explore the cause and effect relationship between reaction rate factors.

HS.P1U1.3

Biological Effects of Radiation

All radioactive nuclides emit high-energy particles or electromagnetic waves. When this radiation encounters living cells, it can cause heating, break ...

Dye-sensitized Solar Cells

Source: Tamara M. Powers, Department of Chemistry, Texas A&#38;M University
Today&#39;s modern world requires the use of a large amount of energy. While ...

Batteries and Fuel Cells

A battery is a galvanic cell that is used as a source of electrical power for specific applications. Modern batteries exist in a multitude of forms to ...

biodistribution-of-nano-drug-carriers-applications-of-sem

Biodistribution of Nano-drug Carriers: Applications of SEM

Source:&#160;Peiman Shahbeigi-Roodposhti and Sina Shahbazmohamadi, Biomedical Engineering Department, University of Connecticut, Storrs, Connecticut
...

Corrosion

The degradation of metals due to natural electrochemical processes is known as corrosion. Rust formation on iron, tarnishing of silver, and the blue-green ...

Polymerization

Source: Vy M. Dong and Jan Riedel, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA
Polymers are made from macromolecules, which are composed ...

Obtain, evaluate, and communicate information about how the use of chemistry related technologies have had positive and negative ethical, social, economic, and/or political implications.

Biomaterials in Medicine and Engineering

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards