Fra et spaghetti-lignende virvar af mikrofibre og vand kommer et lovende nyt materiale

Princeton-forskere har opdaget, at når vand flyder rundt om lange plastikfibre, de fleksible fibertråde filtrer sig som en plade spaghetti. I stedet for et rodet rod, imidlertid, dette produkt er faktisk et meget nyttigt materiale kendt som en hydrogel.

Undersøgt i et halvt århundrede, hydrogeler finder i stigende grad anvendelse inden for områder, herunder kunstig vævsteknologi, vedvarende medicinafgivelse, kirurgiske klæbemidler og 3-D bioprint - i det mindste delvist på grund af deres ligheder med levende væv, at være squishy, porøs og for det meste lavet af vand.

Normalt, generering af hydrogeler kræver kemiske reaktioner og interaktioner mellem et sæt forløbermaterialer. Den nye Princeton hydrogel, selvom, dannes netop gennem forskydningseffekten af ​​fibrene, der glider mod hinanden, når de tvinges gennem en sprøjte. Denne kemikaliefri metode peger mod en ny klasse af injicerbare hydrogeler, der udfører opgaver som tilstopning og behandling af sår.

"At studere strømmen af ​​stof i suspensioner, der indeholder så meget fleksible fibre, var aldrig rigtig blevet forsøgt før, sagde Antonio Perazzo, co-lead forfatter til en september-avis i Proceedings of the National Academy of Sciences rapportering af ideen og beskrivelse af resultaterne. "Forfølgelse af ny forskning har givet os dette hidtil usete resultat af flow-induceret gelering med fleksible fibre."

Perazzo er en postdoktoral forskningsmedarbejder i laboratoriet af papirmedforfatter Howard Stone, Donald R. Dixon '69 og Elizabeth W. Dixon professor i mekanik og rumfartsteknik ved Princeton. Perazzo startede forskningen som gæstende doktorand i Stones laboratorium. En medforfatter Stefano Guido, en professor i kemiteknik ved Napoli Universitet i Italien, var Perazzos ph.d. rådgiver.

"Bemærkelsesværdigt, Fibersuspensionen kan ekstruderes gennem en sprøjtenål ​​som et fuldt formet blødt, strækbar gel, sagde Janine Nunes, en postdoc-forsker også i Stones laboratorium i Princeton og en co-lead forfatter af papiret. "Denne nemme måde at skabe en hydrogel på kunne åbne op for en masse anvendelser inden for biomedicin."

Fænomenet, der får fibrene til at stivne og gelere under stress, er kendt som shear thickening. Normalt, en blanding af fibre og vand vil undergå den modsatte effekt, forskydning udtynding, og bliver mindre tyk, eller tyktflydende, når der trykkes på; tænk på, hvordan en ske styrter ned i en skål med nudelsuppe.

Men nogle sammenkogter kan kontraintuitivt reagere ved at blive tykkere. Det måske bedst kendte eksempel er majsstivelse og vand. Under moderat stress, stivelseskornene forbinder sig stærkt nok til, at nogen endda kan træde på det stivelsesfyldte vand og ikke straks synke.

"YouTube er fuld af videoer af folk, der går på svømmebassiner fyldt med majsstivelse, " sagde Perazzo. "Hvis folk går hurtigt på poolen, de vil ikke synke, fordi viskositeten stiger under gang. Det er forskydningsfortykkelse."

Princeton-forskerne undersøgte, hvordan denne effekt sker med mikrofibre, som Nunes lavede i laboratoriet med poly(ethylenglycol) diacrylat (PEG-DA), en ikke-giftig, fleksibel, biokompatibel plast. Fibrene målte 35 mikrometer i diameter og omkring 12 millimeter lange, eller cirka 340 gange så lange som de er brede. Når den først sættes i vand, disse fibre eksisterede i en fritflydende, usammenfiltret tilstand. Perazzo hældte derefter suspensionen i en enhed kaldet et rheometer, som måler, hvordan væsker reagerer på påførte kræfter. Blandingen udfyldte et hul mellem to plader, med bundpladen forbliver stationær, mens toppladen roterede, lægge pres og hvirvle fibrene og vandet rundt.

Fibrene bøjede i den flydende væske, sammenlåsning og sløjfe i virvar og knuder. Den voksende masse af knudrede fibre adskilt fra vandet, med noget vand, der er fanget i dem, skabe et vandfyldt netværk og forsyne materialet med goopy, hydrogel-lignende egenskaber. Disse egenskaber kan ændres ved at justere diametrene og længden af ​​mikrofibrene, hvilket påvirker den sammenlåsende adfærd.

Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford Chair of Chemical and Biomolecular Engineering ved University of Delaware, som ikke var involveret i undersøgelsen, beskrev det som "kreativt og opfindsomt" for at demonstrere "nyt, mikrostrukturerede materialer, der udløses af strømningsfelter for at skabe et hydrogelmateriale."

"Der er en række selvsamlede overfladeaktive stoffer og polymerkolloidsystemer, der kan danne 'shake-gel' gennem kombinerede kemiske flow-midler, " tilføjede Wagner, "men dette [materielle system] gør det simpelthen ved topologi - faktisk smart."

Yderligere forskning vil undersøge mekanikken bag forskydningsfortykkelsen, med henblik på at optimere geldannelsen af ​​materialet, når det passerer gennem en sprøjte. Forskerne vil også gerne forfølge undersøgelser af, om suspensionen kan kombineres med partikler såsom antibiotika, næringsstoffer eller biomolekyler af interesse for en række applikationer.

"Vi kan forestille os, at disse let injicerbare hydrogeler bliver lavet til at inkludere forskellige slags lægemidler, der er gavnlige for sårheling, for eksempel, " sagde Stone. "Der er betydelig multifunktionalitet, du kan få ud af et materiale med disse egenskaber."