Inspireret af en bomuldsmaskine, ingeniører satte en ny tur på at skabe små nanofibre

Hyldet som en "krydsning mellem en højhastighedscentrifuge og en bomuldsmaskine, "bioingeniører på Harvard har udviklet en ny, praktisk teknologi til fremstilling af bittesmå nanofibre.

Henvisningen af ​​hovedforfatteren Mohammad Reza Badrossamay til gøgleriet med spundet sukker er bevidst, som enheden bogstaveligt – og lige så nemt – drejer, strækker sig, og skubber 100 nanometer-diameter polymerbaserede tråde ud ved hjælp af en roterende tromle og dyse.

Opfindelsen, rapporteret i den 24. maj online-udgave af Nano bogstaver , kunne være en velsignelse for industrien, med potentielle anvendelser lige fra kunstige organer og vævsregenerering til tøj og luftfiltre. Forskerne har indgivet patent på deres opdagelse.

"Dette er en langt overlegen metode til fremstilling af nanofibre sammenlignet med typiske metoder, med produktionsoutput mange gange større, " siger medforfatter Kit Parker, Thomas D. Cabot Associate Professor of Applied Science og Associate Professor of Bioengineering ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS); et kernefakultetsmedlem af Wyss Institue for Biologically Inspired Engineering ved Harvard; og medlem af Harvard Stem Cell Institute. "Vores teknik vil være yderst ønskværdig for industrien, da de simple maskiner nemt kunne bringe nanofiberproduktion ind i ethvert laboratorium. Træde i kræft, med denne teknik kan vi mainstreame nanotekstiler."

Derimod den mest almindelige metode til at skabe nanofibre er gennem elektrospinning, eller at sende en højspændings elektrisk ændring ind i en dråbe polymervæske for at trække lange tråde af nanoskala ud. Selvom det er effektivt, elektrospinning giver begrænset kontrol og lav output af de ønskede fibre.

Harvard-forskerne vendte sig mod en enklere løsning, ved hjælp af roterende jetspinning. Hurtig tilførsel og derefter rotation af polymermaterialet inde i et reservoir oven på en kontrollerbar motor giver mere kontrol og større udbytte.

Når den er spundet, materialet strækker sig meget ligesom smeltet sukker gør, når det begynder at tørre til tyndt, silkebløde bånd. Ligesom i produktionen af ​​bomuld slik, nanofibrene ekstruderes gennem en dyse ved en kombination af hydrostatisk og centrifugaltryk.

Den resulterende bunke af ekstruderede fibre formes til en bagellignende form med en diameter på ca. 10 cm.

"Det nye system tilbyder fremstilling af naturligt forekommende og syntetiske polymerer samt en masse kontrol over fiberopretning og webporøsitet, hierarkisk og rumlig organisering af fibrøst stillads og tredimensionelle samlinger, " siger Badrossamay, en postdoc ved Wyss Institute og medlem af Parkers laboratorium ved SEAS.

Forskerne testede den nye enhed ved hjælp af en række syntetiske og naturlige polymerer såsom polymælkesyre i chloroform, en biologisk nedbrydelig polymer fremstillet af majsstivelse eller sukkerrør, der er blevet brugt som et miljøvenligt alternativ til plastik i emner som engangskopper.

I øvrigt, den hurtige spindemetode giver en høj grad af fleksibilitet, da diameteren af ​​fibrene let kan manipuleres, og strukturerne kan integreres i en tilpasset tredimensionel struktur eller en hvilken som helst form blot ved at variere, hvordan fibrene opsamles.

Fibrenes form kan også ændres, lige fra perler til tekstureret til glat.

Parkers Disease Biophysics Group (DBG), som har omfattende ekspertise inden for hjertevævsteknik, brugte også teknologien til at danne vævstekniske stilladser, eller kunstige strukturer, hvorpå væv kan dannes og vokse.

Hjertevæv fra rotter blev integreret og justeret med nanofibrene, og, som set i tidligere undersøgelser, dannet bankende muskel.

"Jeg besøgte Society of Laproscopic Surgeons for et par år siden for at se på udstyrsdemoerne, og det gik op for mig, at vi var nødt til at udvikle teknikker til at miniaturisere stilladsproduktionen, så vi kunne gøre det in vivo. Vores opdagelse er det første skridt, " forklarer Parker. "Den indledende test tyder på, at vores teknik er utrolig alsidig til både forskning og hverdagsbrug. Da roterende jetspinding ikke kræver højspænding, det bringer virkelig nanofiberfremstilling til alle."

Forskerne forventer at yderligere forfine processen for vævstekniske applikationer og at se efter muligheder for at udnytte fremskridtene inden for andre tekstilapplikationer.