Grønnere biomaterialer og stilladser, der bruges i regenerativ medicin

Grøn fremstilling bliver en stadig mere kritisk proces på tværs af industrier, drevet af en stigende bevidsthed om de negative miljø- og sundhedsmæssige konsekvenser forbundet med traditionel praksis. I biomaterialebranchen, electrospinning er en universel fremstillingsmetode, der bruges rundt om i verden til at producere nano- til mikroskala fibrøse masker, der meget ligner native vævsarkitektur. Processen, imidlertid, traditionelt har brugt opløsningsmidler, der ikke kun er miljøfarlige, men også udgør en betydelig barriere for industriel opskalering, klinisk oversættelse, og, ultimativt, udbredt brug.

Forskere ved Columbia Engineering rapporterer, at de har udviklet en "grøn elektrospinning" -proces, der løser mange af udfordringerne ved at skalere denne fremstillingsmetode, fra håndtering af miljørisici ved opbevaring og bortskaffelse af flygtige opløsningsmidler i store mængder til opfyldelse af sundheds- og sikkerhedsstandarder under både fremstilling og implementering. Teamets nye undersøgelse, offentliggjort 28. juni, 2021, ved Biofabrikation , beskriver, hvordan de har moderniseret nanofiberfremstillingen af ​​meget anvendte biologiske og syntetiske polymerer (f.eks. poly-a-hydroxyestere, kollagen), polymerblandinger, og polymer-keramiske kompositter.

Undersøgelsen understreger også den grønne fremstillings overlegenhed. Gruppens "grønne" fibre udviste usædvanlige mekaniske egenskaber og bevaret vækstfaktorbioaktivitet i forhold til traditionelle fibermodstykker, hvilket er afgørende for lægemiddelafgivelse og vævstekniske applikationer.

Regenerativ medicin er en global industri på 156 milliarder dollars, en der vokser eksponentielt. Forskerteamet, ledet af Helen H. Lu, Percy K. og Vida L.W. Hudson professor i biomedicinsk teknik, ønskede at tage udfordringen op med at etablere skalerbare grønne fremstillingspraksis for biomimetiske biomaterialer og stilladser, der bruges i regenerativ medicin.

"Vi tror, ​​at dette er et paradigmeskift i biofabrikation, og vil fremskynde oversættelsen af ​​skalerbare biomaterialer og biomimetiske stilladser til vævsteknik og regenerativ medicin, "sagde Lu, en leder inden for forskning i vævsgrænseflader, især design af biomaterialer og terapeutiske strategier til genskabelse af kroppens naturlige synkronisering mellem væv. "Grøn elektrospinning bevarer ikke kun sammensætningen, kemi, arkitektur, og biokompatibilitet af traditionelt elektrospundne fibre, men det forbedrer også deres mekaniske egenskaber ved at fordoble duktiliteten af ​​traditionelle fibre uden at gå på kompromis med udbyttet eller den endelige trækstyrke. Vores arbejde giver både en mere biokompatibel og bæredygtig løsning til skalerbar nanomaterialefremstilling. "

Holdet, som omfattede flere BME -doktorander fra Lu's gruppe, Christopher Mosher Ph.D.'20 og Philip Brudnicki, samt Theanne Schiros, en ekspert i miljøbevidst tekstilsyntese, der også er forsker ved Columbia MRSEC og adjunkt ved FIT, anvendt bæredygtighedsprincipper for produktion af biomaterialer, og udviklede en grøn electrospinning -proces ved systematisk at teste, hvad FDA anser som biologisk godartede opløsningsmidler (Q3C klasse 3).

De identificerede eddikesyre som et grønt opløsningsmiddel, der udviser lav økologisk påvirkning (Sustainable Minds Life Cycle Assessment) og understøtter en stabil elektrospinningsstråle under rutinemæssige fabrikationsbetingelser. Ved at indstille elektrospinning -parametre, såsom nålepladeafstand og strømningshastighed, forskerne var i stand til at forbedre fremstillingen af ​​forskning og biomedicinske polymerer i industristandard, reducere de skadelige produktionsvirkninger af elektrospinningprocessen med tre til seks gange.

Grønne elektrospundne materialer kan bruges i en lang række applikationer. Lu's team arbejder i øjeblikket på at videreudvikle disse materialer til ortopædiske og dental applikationer, og udvidelse af denne miljøbevidste fremstillingsproces til skalerbar produktion af regenerative materialer.

"Biofabrikation er blevet omtalt som den 'fjerde industrielle revolution' efter dampmaskiner, elektrisk strøm, og den digitale tidsalder til automatisering af masseproduktion, "bemærkede Mosher, undersøgelsens første forfatter. "Dette arbejde er et vigtigt skridt i retning af at udvikle bæredygtig praksis i den næste generation af biomaterialefremstilling, som er blevet altafgørende midt i den globale klimakrise. "