Anden hud beskytter mod kemikalier, biologiske midler

Nylige begivenheder som COVID-19-pandemien og brugen af ​​kemiske våben i Syrien-konflikten har givet en stærk påmindelse om overflod af kemiske og biologiske trusler, som soldater, medicinsk personale og førstehjælpspersonale står over for under rutine- og nødoperationer.

Personalets sikkerhed er afhængig af beskyttelsesudstyr, som desværre, lader stadig meget tilbage at ønske. For eksempel, høj åndbarhed (dvs. overførsel af vanddamp fra bærerens krop til omverdenen) er afgørende i beskyttende militæruniformer for at forhindre varmestress og udmattelse, når soldater er engageret i missioner i forurenede miljøer. De samme materialer (adsorbenter eller barrierelag), som yder beskyttelse i nuværende beklædningsgenstande, hæmmer også åndbarheden på en skadelig måde.

For at tackle disse udfordringer, et multiinstitutionelt forskerteam ledet af Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) videnskabsmand Francesco Fornasiero har udviklet en smart, åndbart stof designet til at beskytte bæreren mod biologiske og kemiske krigsførende stoffer. Materialer af denne type kan også bruges i kliniske og medicinske omgivelser. Værket blev for nylig offentliggjort online i Avancerede funktionelle materialer og repræsenterer den vellykkede afslutning af fase I af projektet, som er finansieret af Defense Threat Reduction Agency gennem dynamiske multifunktionelle materialer til en anden hud "D [MS] ² " program.

"Vi demonstrerede et smart materiale, der er både åndbart og beskyttende ved succesfuldt at kombinere to nøgleelementer:et basismembranlag bestående af billioner af tilpassede kulstofnanorørporer og et trusselsfølsomt polymerlag podet på membranoverfladen, " sagde Fornasiero.

Disse carbon nanorør (grafitcylindre med diametre mere end 5, 000 gange mindre end et menneskehår) nemt kunne transportere vandmolekyler gennem deres indre og samtidig blokere alle biologiske trusler, som ikke kan passe gennem de bittesmå porer. Dette nøglefund blev tidligere offentliggjort i Avancerede materialer .

Holdet har vist, at fugtdamptransporthastigheden gennem kulstofnanorør stiger med faldende rørdiameter og, for de mindste porestørrelser, der er overvejet i undersøgelsen, er så hurtig, at den nærmer sig, hvad man ville måle i bulkgasfasen. Denne tendens er overraskende og indebærer, at enkeltvæggede kulstof-nanorør (SWCNT'er) som fugtledende porer overvinder en begrænsende åndbarhed/beskyttelses-afvejning, der vises af konventionelle porøse materialer. ifølge Fornasiero. Dermed, størrelsessigtningsselektivitet og vanddamppermeabilitet kan forbedres samtidigt ved at reducere SWCNT-diametre.

I modsætning til biologiske agenser, kemiske trusler er mindre og kan passe gennem nanorørets porer. For at tilføje beskyttelse mod kemiske farer, et lag af polymerkæder vokser på materialets overflade, som reversibelt kollapser i kontakt med truslen, blokerer dermed porerne midlertidigt.

"Dette dynamiske lag gør det muligt for materialet at være 'smart', idet det kun giver beskyttelse, når og hvor det er nødvendigt, " sagde Timothy Swager, en samarbejdspartner ved Massachusetts Institute of Technology, der udviklede den responsive polymer. Disse polymerer blev designet til at overgå fra en forlænget til en kollapset tilstand i kontakt med organophosphat trusler, såsom sarin. "Vi bekræftede, at både simulanter og levende agenter udløser den ønskede volumenændring, " tilføjede Swager.

Holdet viste, at de responsive membraner har tilstrækkelig åndbarhed i deres åbne poretilstand til at opfylde sponsorkravene. I lukket tilstand, truslens gennemtrængning gennem materialet er dramatisk reduceret med to størrelsesordener. Den demonstrerede åndbarhed og smarte beskyttelsesegenskaber af dette materiale forventes at udmønte sig i en væsentligt forbedret termisk komfort for brugeren og gøre det muligt i høj grad at forlænge slidtiden for beskyttelsesudstyr, uanset om det er på et hospital eller på slagmarken.

"Sikkerheden for krigskæmpere, medicinsk personale og førstehjælpere under længerevarende operationer i farlige miljøer er afhængige af personlige værnemidler, der ikke kun beskytter, men også kan ånde, " sagde Kendra McCoy, DTRA-programlederen, der fører tilsyn med projektet. "DTRA Second Skin-programmet er designet til at imødekomme dette behov ved at støtte udviklingen af ​​nye materialer, der tilpasser sig autonomt til miljøet og maksimerer både komfort og beskyttelse i mange timer."

I næste fase af projektet, holdet vil sigte mod at inkorporere on-demand beskyttelse mod yderligere kemiske trusler og gøre materialet strækbart for en bedre kropspasning, dermed mere efterligner den menneskelige hud.