Ingeniører designer farveskiftende kompressionsbandage

Kompressionsterapi er en standardbehandlingsform for patienter, der lider af venøse sår og andre tilstande, hvor vener kæmper for at returnere blod fra underekstremiteterne. kompressionsstrømper og bandager, viklet tæt omkring det berørte lem, kan være med til at stimulere blodgennemstrømningen. Men der er i øjeblikket ingen klar måde at måle, om en bandage påfører et optimalt tryk for en given tilstand.

Nu har ingeniører ved MIT udviklet trykfølende fotoniske fibre, som de har vævet ind i en typisk kompressionsbandage. Når bandagen strækkes, fibrene skifter farve. Ved hjælp af et farvekort, en pårørende kan strække en bandage, indtil den matcher farven for et ønsket tryk, Før, sige, vikle det rundt om en patients ben.

De fotoniske fibre kan derefter tjene som en kontinuerlig tryksensor - hvis deres farve ændres, plejere eller patienter kan bruge farvekortet til at afgøre, om og i hvilken grad bandagen skal løsnes eller strammes.

"At få trykket rigtigt er afgørende i behandlingen af ​​mange medicinske tilstande, herunder venøse sår, som påvirker flere hundrede tusinde patienter i USA hvert år, siger Mathias Kolle, assisterende professor i maskinteknik ved MIT. "Disse fibre kan give information om det tryk, som bandagen udøver. Vi kan designe dem således, at for et specifikt ønsket tryk, fibrene afspejler en farve, der er let at skelne."

Kolle og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Avancerede sundhedsmaterialer . Medforfattere fra MIT inkluderer førsteforfatter Joseph Sandt, Marie Moudio, og Christian Argenti, sammen med J. Kenji Clark fra University of Tokyo, James Hardin fra United States Air Force Research Laboratory, Matthew Carty fra Brigham og Women's Hospital-Harvard Medical School, og Jennifer Lewis fra Harvard University.

Naturlig inspiration

Farven på de fotoniske fibre stammer ikke fra nogen iboende pigmentering, men fra deres omhyggeligt designede strukturelle konfiguration. Hver fiber er omkring 10 gange diameteren af ​​et menneskehår. Forskerne fremstillede fiberen af ​​ultratynde lag af gennemsigtige gummimaterialer, som de rullede sammen for at skabe en gelé-rulle-type struktur. Hvert lag i rullen er kun et par hundrede nanometer tykt.

I denne sammenrullede konfiguration, lys reflekteres fra hver grænseflade mellem individuelle lag. Med nok lag af ensartet tykkelse, disse refleksioner interagerer for at styrke nogle farver i det synlige spektrum, for eksempel rød, samtidig med at lysstyrken af ​​andre farver mindskes. Dette får fiberen til at fremstå i en bestemt farve, afhængig af tykkelsen af ​​lagene i fiberen.

"Strukturfarven er virkelig pæn, fordi du kan blive lysere, stærkere farver end med blæk eller farvestoffer blot ved at bruge særlige arrangementer af gennemsigtige materialer, Sandt siger. "Disse farver holder, så længe strukturen bevares."

Fibrenes design er afhængig af et optisk fænomen kendt som "interferens, "i hvilket lys, reflekteret fra en periodisk stak af tynde, gennemsigtige lag, kan producere levende farver, der afhænger af stakkens geometriske parametre og materialesammensætning. Optisk interferens er det, der producerer farverige hvirvler i olieholdige vandpytter og sæbebobler. Det er også det, der giver påfugle og sommerfugle deres blændende, skiftende nuancer, da deres fjer og vinger er lavet af tilsvarende periodiske strukturer.

"Min interesse har altid været i at tage interessante strukturelle elementer, der ligger til grund for naturens mest blændende lysmanipulationsstrategier, at prøve at genskabe og bruge dem i nyttige applikationer, siger Kolle.

En flerlags tilgang

Teamets tilgang kombinerer kendte optiske designkoncepter med bløde materialer, at skabe dynamiske fotoniske materialer.

Mens en postdoc på Harvard i gruppen af ​​professor Joanna Aizenberg, Kolle blev inspireret af Pete Vukusic's arbejde, professor i biofotonik ved University of Exeter i Storbritannien, på Margaritaria nobilis, en tropisk plante, der producerer ekstremt skinnende blå bær. Frugtens hud består af celler med en periodisk cellulosestruktur, hvorigennem lyset kan reflektere for at give frugten sin karakteristiske metalliske blå farve.

Sammen, Kolle og Vukusic søgte måder at omsætte frugtens fotoniske arkitektur til et nyttigt syntetisk materiale. Ultimativt, de fremstillede flerlagede fibre af strækbare materialer, og antog, at strækning af fibrene ville ændre de enkelte lags tykkelser, gør det muligt for dem at justere fibrenes farve. Resultaterne af disse første bestræbelser blev offentliggjort i Avancerede materialer i 2013.

Da Kolle kom til MIT-fakultetet samme år, han og hans gruppe, herunder Sandt, forbedret på den fotoniske fibers design og fremstilling. I deres nuværende form, fibrene er lavet af lag af almindeligt anvendte og almindeligt tilgængelige gennemsigtige gummier, viklet omkring stærkt strækbare fiberkerner. Sandt fremstillede hvert lag ved hjælp af spin-coating, en teknik, hvor en gummi, opløst i opløsning, hældes på et spindehjul. Overskydende materiale slynges af hjulet, efterlader en tynd, ensartet belægning, hvis tykkelse kan bestemmes af hjulets hastighed.

Til fiberfremstilling, Sandt dannede disse to lag oven på en vandopløselig film på en siliciumwafer. Så nedsænkede han oblaten, med alle tre lag, i vand for at opløse det vandopløselige lag, efterlader de to gummiagtige lag flydende på vandoverfladen. Endelig, han rullede forsigtigt de to gennemsigtige lag rundt om en sort gummifiber, at producere den endelige farverige fotoniske fiber.

Afspejler tryk

Holdet kan justere tykkelsen af ​​fibrenes lag for at producere enhver ønsket farvejustering, ved hjælp af standardoptiske modelleringsmetoder, tilpasset til deres fiberdesign.

"Hvis du vil have en fiber til at gå fra gul til grøn, eller blå, vi kan sige, 'Det er sådan, vi skal lægge fiberen ud for at give os denne slags [farve] bane, "," siger Kolle. "Dette er stærkt, fordi du måske vil have noget, der reflekterer rødt for at vise en farlig høj belastning, eller grøn for "ok". Den kapacitet har vi."

Holdet fremstillede farveskiftende fibre med en skræddersyet, belastningsafhængig farvevariation ved hjælp af den teoretiske model, og derefter syet dem langs længden af ​​en konventionel kompressionsbandage, som de tidligere karakteriserede for at bestemme det tryk, som bandagen genererer, når det strækkes en vis mængde.

Holdet brugte forholdet mellem bandagestræk og tryk, og sammenhængen mellem fiberfarve og stamme, at tegne et farvekort, at matche en fibers farve (fremstillet af en vis mængde strækning) til det tryk, der genereres af bandagen.

For at teste bandagens effektivitet, Sandt og Moudio rekrutterede over et dusin studerende frivillige, der arbejdede to og to for at påføre tre forskellige kompressionsbandager på hinandens ben:en almindelig bandage, en bandage gevind med fotoniske fibre, og en kommercielt tilgængelig bandage trykt med rektangulære mønstre. Denne bandage er designet således, at når den påfører et optimalt tryk, brugere skal se, at rektanglerne bliver firkanter.

Samlet set, bandagen vævet med fotoniske fibre gav den klareste trykfeedback. Eleverne var i stand til at fortolke farven på fibrene, og baseret på farvekortet, påfør et tilsvarende optimalt tryk mere præcist end nogen af ​​de andre bandager.

Forskerne leder nu efter måder at opskalere fiberfremstillingsprocessen på. I øjeblikket, de er i stand til at lave fibre, der er flere centimeter lange. Ideelt set de vil gerne producere meter eller endda kilometer af sådanne fibre ad gangen.

"I øjeblikket, fibrene er dyre, mest på grund af det arbejde, der går med at lave dem, Kolle siger. Materialerne i sig selv er ikke meget værd. Hvis vi kunne trække kilometer af disse fibre ud med relativt lidt arbejde, så ville de være skidt billige."

Derefter, sådanne fibre kan trådes ind i bandager, sammen med tekstiler såsom sportstøj og sko som farveindikatorer for, sige, muskelspændinger under træning. Kolle forestiller sig, at de også kan bruges som fjernaflæselige strain gauges til infrastruktur og maskiner.

"Selvfølgelig, de kunne også være et videnskabeligt værktøj, der kunne bruges i en bredere sammenhæng, som vi gerne vil udforske, siger Kolle.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.