Ny metode til mekanisk trækprøvning af mikro- og nanofibre

Forskere ved TU Wien har udviklet en ny metode, der er velegnet til mekanisk trækprøvning af mikro- og nanofibre. Den særlige egenskab:Prøver kan kobles reversibelt til og frakobles kraftsensoren.

Det er ofte meget tidskrævende at teste fibrenes stivhed eller trækstyrke i nano- til mikroområdet eksperimentelt. Prøverne skal i de fleste tilfælde fastgøres med klæbemiddel i begge ender. Hærdningen af ​​limen tager tid, og sensoren, som fiberen er limet til, kan ikke genbruges.

Forskere fra TU Wien, Mathis Nalbach, Philipp Thurner og Georg Schitter, har udviklet et testsystem, der overvinder disse forhindringer. Funktionsprincippet er som følger:En magnetisk mikrosfære fastgjort til nanofiberen kan tages op med en magnetisk pincet. Dette gør det muligt for kuglen at blive indsat i gaflen, der er fastgjort til en kraftsensor og derved koblet til sensoren. Da den magnetiske kugle også kan fjernes fra gaflen ved hjælp af den magnetiske pincet, kan en anden nanofiber tages op med det samme. Dette øger prøvegennemløbet markant. Forskerne præsenterede for nylig NanoTens træktesteren i tidsskriftet Review of Scientific Instruments .

Tilpasset til de virkelige forhold

Mens atomkraftmikroskopet kan bruges til at undersøge en fibers mekaniske egenskaber ved hjælp af en nano-penetrationstest, muliggør NanoTens materialetestning for fibre under den mere relevante trækbelastning. Philipp Thurner fra Biomekaniks forskningsafdeling forklarer arbejdsprincippet således:"Du kan forestille dig enheden som en mikroskopisk gaffeltruck. Den magnetiske kugle, som er limet til fiberen, sættes ind i gaflen. Ved at flytte gaflen op eller ned, fiberen kan nu testes under trækbelastning. Denne type belastning er især relevant for biologiske fibre såsom kollagenfibriller. Fysiologisk belastes disse hovedsageligt under spænding, og derfor er deres mekaniske egenskaber særligt relevante under netop denne belastning."

Biomekanikerne Nalbach og Thurner undersøger mest naturlige fibre som kollagen. Da deres mekaniske egenskaber i høj grad afhænger af ydre forhold, er det vigtigt også at tage højde for disse ved trækprøvning. "Vi lykkes med dette, fordi træktest kan udføres i forskellige medier med NanoTens. En tør kollagenfiber er for eksempel meget mere skør og stiv end en fugtig eller fuldt hydreret. Dens diameter falder også betydeligt, når den tørres ud," siger Mathis Nalbach, førsteforfatter af undersøgelsen.

Kvalitet og kvantitet øges

Med deres metode lykkes forskerne ikke kun at simulere fysiologiske forhold, men resultaterne genereret med NanoTens får også validitet. Dette skyldes, at et stort antal målinger er nødvendige for at opnå meningsfulde resultater på biologiske materialer såsom kollagenfibriller. "Konventionelle metoder giver os mulighed for kun at undersøge en eller to prøver om ugen. Dette gør det praktisk talt umuligt at udføre statistisk meningsfulde undersøgelser," beskriver Nalbach. Philipp Thurner tilføjer:"Den nye metode gør det muligt at forbinde og afbryde fibrene hurtigt. Som et resultat - og fordi sensoren genbruges - kan vi ikke kun øge antallet af trækprøver til op til 50 målinger om ugen, men også præcision af målingen."

Træktestene kan – afhængig af valget – udføres over et bredt kraftområde og manipuleres via et styresystem. Dette er vigtigt, fordi træktestmetoder normalt antager, at materialet har lineære elastiske egenskaber. Dette er dog ikke tilfældet med biologiske væv, såsom kollagenfibriller:de er viskoelastiske. Kraftkontrolleret trækprøvning muliggør undersøgelse af denne viskoelasticitet.

Fra opfindelsen til produktet

NanoTens er allerede blevet internationalt patenteret af TU Wien. "Det næste skridt ville være at gå sammen med industrielle partnere. Vi håber at finde en licenstager ved hjælp af forsknings- og overførselsstøtten. Vi er interesserede i at samarbejde med industrien om dette emne," siger Mathis Nalbach. NanoTens er designet på en sådan måde, at den generelt kan integreres i enhver fordybningsmåleanordning eller atomkraftmikroskop. Ud over materialevidenskab bruges trækprøvning blandt andet også inden for biovidenskab, halvlederteknologi og elektronik. + Udforsk yderligere

Numeriske simuleringer af træktest af røde blodlegemer