Grön tillverkning blir en allt mer kritisk process inom olika branscher, drivs av en växande medvetenhet om de negativa miljö- och hälsoeffekter som är förknippade med traditionella metoder. Inom biomaterialindustrin, electrospinning är en universell tillverkningsmetod som används runt om i världen för att producera nano- till mikroskala fibrösa maskor som mycket liknar inhemsk vävnadsarkitektur. Processen, dock, har traditionellt använt lösningsmedel som inte bara är miljöfarliga utan också utgör ett betydande hinder för industriell uppskalning, klinisk översättning, och, i sista hand, Utbredd användning.

Forskare vid Columbia Engineering rapporterar att de har utvecklat en "grön elektrospinningsprocess" som tar itu med många av utmaningarna med att skala upp denna tillverkningsmetod, från att hantera miljöriskerna med flyktiga lösningsmedelslagring och bortskaffande i stora volymer till att uppfylla hälso- och säkerhetsstandarder under både tillverkning och implementering. Teamets nya studie, publicerad 28 juni, 2021, förbi Biotillverkning , beskriver hur de har moderniserat nanofibertillverkningen av allmänt använda biologiska och syntetiska polymerer (t.ex. poly-α-hydroxiestrar, kollagen), polymerblandningar, och polymer-keramiska kompositer.

Studien understryker också den gröna tillverkningens överlägsenhet. Gruppens "gröna" fibrer uppvisade exceptionella mekaniska egenskaper och bibehållen tillväxtfaktorbioaktivitet i förhållande till traditionella fibermotsvarigheter, vilket är viktigt för läkemedelsleverans och applikationer för vävnadsteknik.

Regenerativ medicin är en global industri på 156 miljarder dollar, en som växer exponentiellt. Forskargruppen, ledd av Helen H. Lu, Percy K. och Vida L.W. Hudson professor i biomedicinsk teknik, ville ta itu med utmaningen att upprätta skalbara gröna tillverkningsmetoder för biomimetiska biomaterial och ställningar som används i regenerativ medicin.

"Vi tror att detta är ett paradigmskifte inom biotillverkning, och kommer att påskynda översättningen av skalbara biomaterial och biomimetiska ställningar för vävnadsteknik och regenerativ medicin, sa Lu, en ledare inom forskning om vävnadsgränssnitt, särskilt utformningen av biomaterial och terapeutiska strategier för att återskapa kroppens naturliga synkronisering mellan vävnader. "Grön elektrospinning bevarar inte bara kompositionen, kemi, arkitektur, och biokompatibilitet för traditionellt elektrospunna fibrer, men det förbättrar också deras mekaniska egenskaper genom att fördubbla duktiliteten hos traditionella fibrer utan att kompromissa med sträckning eller draghållfasthet. Vårt arbete ger både en mer biokompatibel och hållbar lösning för skalbar tillverkning av nanomaterial."

Laget, som inkluderade flera BME-doktorander från Lus grupp, Christopher Mosher Ph.D.'20 och Philip Brudnicki, liksom Theanne Schiros, en expert på miljömedveten textilsyntes som också är forskare vid Columbia MRSEC och biträdande professor vid FIT, tillämpade hållbarhetsprinciper för produktion av biomaterial, och utvecklat en grön elektrospinningsprocess genom att systematiskt testa vad FDA anser vara biologiskt godartade lösningsmedel (Q3C klass 3).

De identifierade ättiksyra som ett grönt lösningsmedel som uppvisar låg ekologisk påverkan (Sustainable Minds Life Cycle Assessment) och stödjer en stabil elektrospinningsstråle under rutinmässiga tillverkningsförhållanden. Genom att ställa in elektrospinningsparametrar, såsom nålplattans avstånd och flödeshastighet, forskarna kunde förbättra tillverkningen av forsknings- och industristandardiserade biomedicinska polymerer, minska de skadliga tillverkningseffekterna av elektrospinningsprocessen med tre till sex gånger.

Gröna elektrospunna material kan användas i ett brett spektrum av applikationer. Lu -teamet arbetar för närvarande med att ytterligare förnya dessa material för ortopediska och dentala applikationer, och att utöka denna miljömedvetna tillverkningsprocess för skalbar produktion av regenerativa material.

"Biotillverkning har kallats den "fjärde industriella revolutionen" efter ångmaskiner, elektrisk kraft, och den digitala tidsåldern för automatisering av massproduktion, "noterade Mosher, studiens första författare. "Detta arbete är ett viktigt steg mot att utveckla hållbara metoder i nästa generation av tillverkning av biomaterial, som har blivit avgörande mitt i den globala klimatkrisen."