Auxetiske membraner:Paradoksalt erstatningsvæv til medicin

Et materiale, der bliver tykkere, når du trækker i det, ser ud til at modsige fysikkens love. Imidlertid, den såkaldte auxetiske effekt, som også forekommer i naturen, er interessant for en række anvendelser. En ny Empa-undersøgelse offentliggjort for nylig i Naturkommunikation viser, hvordan denne fantastiske adfærd kan forbedres – og endda bruges til at behandle skader og vævsskader.

Naturen viser os, hvordan man gør det:En kalv, der suger mælk fra yveret på en moderko, bruger en fascinerende fysisk egenskab ved patten, som består af et auxetisk væv. Paradoksalt nok, sådanne væv bliver ikke smallere under spænding, såsom et gummibånd, men bredere, på tværs af trækretningen. Derfor, komælken kan flyde uhindret gennem patten. Empa-forskere har nu demonstreret de forbløffende auxetiske egenskaber ved nanofibermembraner udviklet specielt til dette formål. Undersøgelsen offentliggjort i Naturkommunikation peger på en bred vifte af anvendelser for auxetiske materialer, herunder brugen af ​​auxetiske membraner til at regenerere menneskeligt væv efter skader.

Hudskader eller vævsskader på indre organer heler ved, blandt andet, migrerende celler, der sætter sig og danner et sundt erstatningsvæv. Hvad der normalt gøres uden videre i tilfælde af, sige, et lille snit i din fingerspids kan overstige den menneskelige krops muligheder, for eksempel, når komplekse sår opstår, såsom forbrændinger, eller når en mere udbredt vævsregenerering er påkrævet.

Imidlertid, vævsregenerering kan lettes:Hvis der er et passende stillads, de ønskede celler sætter sig lettere ned og vokser langs den foruddefinerede struktur. Empa-forskere ved Biomimetic Membranes and Textiles lab i St. Gallen har nu udviklet nye matrixsystemer med auxetiske egenskaber. Ved elektrospinning, opløste polymerer spundes som wafertynde filamenter i en form, der ligner den menneskelige ekstracellulære matrix. Dette gør det muligt at fremstille flerlagsmembraner fra nanofibre, der er biokompatible og kan indplantes i menneskekroppen. "Hvis biopolymerer såsom polymælkesyrer bruges i spinningsprocessen, membranerne kan endda nedbrydes af kroppen, " forklarer Empa-forsker Giuseppino Fortunato. Derudover bioaktive stoffer eller lægemidler kan inkorporeres i fibrene for kontrolleret og minimeret frigivelse.

Attraktiv porestørrelse

En af udfordringerne indtil nu har været at gøre porestørrelsen i den spundne membran så attraktiv som muligt for de ønskede kropsceller til at klæbe. I de originale membraner, polymertrådene dannede kun bittesmå porer på få mikrometer. Med sine 20 mikrometer, imidlertid, en vævscelle, der skal kolonisere stilladset, er alt for stor til at passe tæt ind i membranen.

Efter at forskerne havde optimeret spindeparametrene kunne der fremstilles et polymernetværk med overraskende egenskaber:Når membranen blev udsat for blide trækkræfter, strækker det med omkring 10 procent, i stedet for at blive tyndere steg materialet omkring 5 gange i volumen og endda 10 gange i tykkelse. "En auxetic effekt af denne størrelsesorden er næsten en verdensrekord, " begejstret Alexander Ehret fra Empas Experimental Continuum Mechanics laboratorium. Ehret og hans team havde først forudsagt den ekstraordinære effekt ved hjælp af mekanisk modellering og simuleret den på computeren, før de analyserede membranprøver eksperimentelt. "Vi kørte simuleringerne på computeren flere gange, fordi resultaterne var så forbløffende, " siger Ehret. Den auxetiske effekt, som kan kvantificeres matematisk ved forholdet mellem tværgående og langsgående tøjning - Poissons forhold -, er karakteriseret ved negative værdier for Poisson's ratio. "Indtil nu, værdier omkring -20 er opnået. Vores resultater var et godt stykke under -100, " siger biomekanikeksperten.

Og ganske rigtigt:I trækprøverne, polymermembranerne opførte sig som simuleret på computeren. Effekten kan forklares med fibre, der omstiller sig under spænding og derved udøver pres på deres tværgående kolleger i netværket. Afhængigt af deres længde og tykkelse, fibrene under tryk tvinges til at bøje op- eller nedad og dermed føre til en stigning i volumen.

Udvid efter behov

I bund og grund, elektrospundne membraner er velegnede til behandling af sår og vævsskader på steder så forskellige som på huden, i blodkar og i indre organer eller endda ved knogleskader. Et passende udvalg af polymerer og optimerede spinningsparametre gør det muligt at tilpasse polymermembranen til målvævets egenskaber. "Takket være det større volumen forårsaget af den auxetiske effekt, matrixstrukturerne er nu endnu mere attraktive for kroppens celler og kunne lette helingsprocessen, " siger Giuseppino Fortunato.

Ud over dets anvendelse i biomedicin, konceptet, som allerede er patentanmeldt, kan også anvendes på mange andre områder. Ifølge forskerne, membraner, der kan aktiveres af stress for at frigive indesluttede partikler, justerbare filtre eller fyldmateriale, der kun udvider sig til dets endelige volumen på brugsstedet, dvs. kvasi "udvid efter behov, "er potentielle fremtidige applikationer.

Strukturen af ​​nanofibre

Den indre struktur af individuelle nanofibre har stor indflydelse på membranernes egenskaber. Hvis nanofibre behandles med bestemte opløsningsmidler, strukturen af ​​nanofibrene kan belyses. Empa-forsker Alexandre Morel har nu opdaget, at variation af spindeparametrene resulterer i forskellige fiberstrukturer, såsom fibrillære eller shish kebab-faser. I elektronmikroskopet fremstår shish kebab strukturer som stablede lag, der ligner et kebabspyt. De har stor indflydelse på membranernes mekaniske egenskaber og dermed også på den auxetiske effekt.