Un material care se îngroașă când tragi de el pare să contrazică legile fizicii. Cu toate acestea, așa-numitul efect auxetic, care apare și în natură, este interesant pentru o serie de aplicații. Un nou studiu EMPA publicat recent în „Nature Communications” arată cum poate fi îmbunătățit acest comportament uimitor și chiar folosit pentru a trata leziunile și leziunile tisulare.
In the electron microscope, the fibers appear as shish kebab structures. They influence the mechanical properties of the membranes and the auxetic effect.
Natura ne arată cum să o facem: un vițel care se alapteaza din ugerul unei vacă-mamă, folosește o proprietate fizică fascinantă a tetinei, care constă dintr-un țesut auxiliar. Paradoxal, astfel de țesuturi nu devin mai înguste sub tensiune, cum ar fi o bandă de cauciuc, ci mai largi, transversale către direcția de tragere. Prin urmare, laptele de vacă poate curge nestingherit prin tetină. Oamenii de știință din cadrul institutului de C&D EMPA au demonstrat acum proprietățile auxetice uluitoare ale membranelor nanofibre dezvoltate special în acest scop. Studiul publicat în „Nature Communications” indică o gamă largă de aplicații pentru materiale auxiliare, inclusiv utilizarea membranelor auxetice pentru regenerarea țesutului uman după răni.
Fire extrem de delicate
Leziunile pielii sau leziunile tisulare ale organelor interne se vindecă, printre altele, prin migrarea celulelor care se instalează și formează un țesut înlocuitor sănătos. Ceea ce se face, de obicei, fără alte detalii în cazul, să spunem, o incizie mică în vârful degetului poate depăși posibilitățile corpului uman, de exemplu, atunci când apar răni complexe, cum ar fi arsuri sau atunci când este necesară o regenerare mai largă a țesutului.
Cu toate acestea, regenerarea țesuturilor poate fi facilitată: Dacă este prevăzută o schela adecvată, celulele dorite se stabilesc mai ușor și cresc de-a lungul structurii predefinite. Cercetătorii EMPA de la Laboratorul de Membrane Biomimetice și Textile din St. Gallen au dezvoltat acum sisteme noi de matrice cu proprietăți auxetice. Prin electrospinning, polimerii dizolvați sunt filați sub formă de filamente subțiri de wafer într-o formă similară matricei extracelulare umane. Acest lucru face posibilă producerea de membrane cu mai multe straturi din nanofibre care sunt biocompatibile și pot fi implantate în corpul uman. „Dacă biopolimerii, cum ar fi acizii polilactici, sunt folosiți în procesul de filare, membranele pot fi chiar degradate de organism”, explică cercetătorul EMPA, Giuseppino Fortunato. În plus, substanțele sau medicamentele bioactive pot fi încorporate în fibre pentru eliberare controlată și minimizată.
Dimensiunea atractivă a porilor
Una dintre provocările de până acum a fost să facă dimensiunea porilor din membrana filată cât mai atractivă pentru aderarea celulelor dorite ale corpului. În membranele originale, firele de polimer au format doar pori minusculi de câțiva micrometri. Cu cei 20 de micrometri, cu toate acestea, o celulă de țesut care urmează să colonizeze schela este mult prea mare pentru a se încadra perfect în membrană.
După ce cercetătorii au optimizat parametrii de filare, s-a putut produce o rețea de polimeri cu proprietăți surprinzătoare: când membrana a fost expusă la forțe ușoare de tracțiune, întinderea acesteia cu aproximativ 10 la sută, în loc să devină mai subțire, materialul a crescut de aproximativ 5 ori în volum și chiar de 10 ori in grosime. „Un efect auxetic al acestei mărimi este aproape un record mondial”, îl entuziasmează pe Alexandru Ehret din laboratorul de mecanică continuă experimentală Empa. Ehret și echipa sa au prezis pentru prima dată efectul extraordinar folosind modelarea mecanică și au simulat-o pe computer înainte de a analiza probele de membrană experimental. „Am rulat simulările pe computer de mai multe ori, deoarece rezultatele au fost atât de uimitoare”, spune Ehret. Efectul auxetic, care poate fi cuantificat matematic prin raportul dintre tulpina transversală și longitudinală – raportul Poisson -, este caracterizat prin valori negative pentru raportul Poisson. „Până în prezent, s-au obținut valori în jur de -20. Rezultatele noastre au fost mult sub -100”, spune expertul în biomecanică.
Și destul de sigur: în testele la tracțiune, membranele polimerice s-au comportat ca simulate pe computer. Efectul poate fi explicat prin fibre care au o realiniere sub tensiune și prin urmare, exercită presiune asupra colegilor lor transversali din rețea. În funcție de lungimea și grosimea lor, fibrele sub presiune sunt obligate să se incline în sus sau în jos și astfel duc la o creștere a volumului.
„Extindere la comanda”
Practic, membranele cu filet electro sunt potrivite pentru tratarea rănilor și leziunilor tisulare în locații la fel de diverse ca pe piele, în vasele de sânge și în organele interne sau chiar în leziuni osoase. O selecție adecvată de polimeri și parametri de filare optimizați permite ca membrana polimerului să fie adaptată proprietăților țesutului țintă. „Datorită volumului mai mare cauzat de efectul auxetic, structurile matrice sunt acum și mai atractive pentru celulele corpului și ar putea facilita procesul de vindecare”, afirma Giuseppino Fortunato.
Pe lângă utilizarea sa în biomedicină, conceptul, care este deja în curs de brevetare, poate fi aplicat și în numeroase alte domenii. Potrivit cercetătorilor, membranele care pot fi activate de stres pentru eliberarea de particule închise, filtre reglabile sau material de umplere care se extinde doar la volumul final la punctul de utilizare, adică aproape „extinde la cerere”, sunt aplicații viitoare potențiale.
Structura nanofibrelor
Structura internă a nanofibrelor individuale are o influență majoră asupra proprietăților membranelor. Dacă nanofibrele sunt tratate cu anumiți solvenți, structura nanofibrelor poate fi elucidată. Cercetătorul EMPA, Alexandre Morel, a descoperit că variația parametrilor de filare are ca rezultat diferite structuri de fibre, cum ar fi fazele fibrilare sau kebab shish. În microscopul electronic, structurile shb kebab apar ca straturi stivuite, asemănătoare cu un scuip de kebab. Acestea au o influență mare asupra proprietăților mecanice ale membranelor și, de asemenea, asupra efectului auxiliar.
Sursa: EMPA