Kompressionsterapi är en vanlig behandlingsform för patienter som lider av venösa sår och andra tillstånd där vener kämpar för att återföra blod från nedre extremiteterna. Kompressionsstrumpor och bandage, lindad tätt runt den drabbade lemmen, kan hjälpa till att stimulera blodflödet. Men det finns för närvarande inget tydligt sätt att bedöma om ett bandage applicerar ett optimalt tryck för ett givet tillstånd.

Nu har ingenjörer på MIT utvecklat tryckavkännande fotoniska fibrer som de har vävt till ett typiskt kompressionsförband. När bandaget sträcks, fibrerna ändrar färg. Med hjälp av ett färgschema, en vårdgivare kan sträcka ett bandage tills det matchar färgen för önskat tryck, innan, säga, linda den runt patientens ben.

De fotoniska fibrerna kan sedan fungera som en kontinuerlig trycksensor - om deras färg ändras, vårdgivare eller patienter kan använda färgkartan för att avgöra om och i vilken grad bandaget behöver lossas eller stramas.

"Att få rätt tryck är avgörande för att behandla många medicinska tillstånd, inklusive venösa sår, som påverkar flera hundra tusen patienter i USA varje år, säger Mathias Kolle, biträdande professor i maskinteknik vid MIT. "Dessa fibrer kan ge information om det tryck som bandaget utövar. Vi kan utforma dem så att för ett specifikt önskat tryck, fibrerna reflekterar en lätt urskiljbar färg. "

Kolle och hans kollegor har publicerat sina resultat i tidningen Avancerat sjukvårdsmaterial . Medförfattare från MIT inkluderar första författaren Joseph Sandt, Marie Moudio, och Christian Argenti, tillsammans med J. Kenji Clark från University of Tokyo, James Hardin från United States Air Force Research Laboratory, Matthew Carty från Brigham och Women's Hospital-Harvard Medical School, och Jennifer Lewis från Harvard University.

Naturlig inspiration

Färgen på de fotoniska fibrerna härrör inte från någon inneboende pigmentering, men från deras noggrant utformade strukturella konfiguration. Varje fiber är cirka 10 gånger diametern av ett människohår. Forskarna tillverkade fibern från ultratunna lager av transparenta gummimaterial, som de rullade ihop för att skapa en gelé-rulle-typ struktur. Varje lager i rullen är bara några hundra nanometer tjockt.

I denna upprullade konfiguration, ljus reflekterar varje gränssnitt mellan enskilda lager. Med tillräckligt många lager med jämn tjocklek, dessa reflektioner samverkar för att stärka vissa färger i det synliga spektrumet, till exempel röd, samtidigt som ljusstyrkan i andra färger minskar. Detta får fibern att se ut i en viss färg, beroende på tjockleken på skikten i fibern.

"Strukturfärgen är riktigt snygg, för att du kan bli ljusare, starkare färger än med bläck eller färgämnen bara genom att använda särskilda arrangemang av transparenta material, "Sandt säger." Dessa färger kvarstår så länge strukturen bibehålls. "

Fibrernas konstruktion bygger på ett optiskt fenomen som kallas "interferens, "i vilket ljus, reflekteras från en periodisk bunt med tunna, transparenta lager, kan producera levande färger som är beroende av stapelns geometriska parametrar och materialkomposition. Optisk interferens är det som ger färgglada virvlar runt i oljiga vattenpölar och tvålbubblor. Det är också det som ger påfåglar och fjärilar deras bländande, skiftande nyanser, eftersom deras fjädrar och vingar är gjorda av liknande periodiska strukturer.

"Mitt intresse har alltid varit att ta intressanta strukturella element som ligger till grund för naturens mest bländande ljusmanipuleringsstrategier, att försöka återskapa och använda dem i användbara applikationer, Säger Kolle.

Ett tillvägagångssätt med flera lager

Teamets tillvägagångssätt kombinerar kända optiska designkoncept med mjuka material, för att skapa dynamiska fotoniska material.

Medan hon var postdoc vid Harvard i gruppen av professor Joanna Aizenberg, Kolle inspirerades av Pete Vukusics arbete, professor i biofotonik vid University of Exeter i Storbritannien, på Margaritaria nobilis, en tropisk växt som producerar extremt glänsande blå bär. Fruktens hud består av celler med en periodisk cellulosastruktur, genom vilket ljus kan reflektera för att ge frukten dess signatur metalliska blå färg.

Tillsammans, Kolle och Vukusic sökte sätt att översätta fruktens fotoniska arkitektur till ett användbart syntetmaterial. I sista hand, de tillverkade flerskiktade fibrer av töjbara material, och antog att sträckning av fibrerna skulle förändra de enskilda skiktens tjocklek, gör det möjligt för dem att ställa in fibrernas färg. Resultaten av dessa första insatser publicerades i Avancerade material under 2013.

När Kolle anslöt sig till MIT -fakulteten samma år, han och hans grupp, inklusive Sandt, förbättrad den fotoniska fiberns design och tillverkning. I sin nuvarande form, fibrerna är gjorda av lager av vanligt använda och allmänt tillgängliga transparenta gummi, lindade runt mycket töjbara fiberkärnor. Sandt tillverkade varje lager med spinnbeläggning, en teknik där ett gummi, upplöst i lösning, hälls på ett snurrande hjul. Överskott av material kastas av ratten, lämnar en tunn, enhetlig beläggning, vars tjocklek kan bestämmas av hjulets hastighet.

För fiberframställning, Sandt bildade dessa två lager ovanpå en vattenlöslig film på en kiselskiva. Han nedsänkte sedan skivan, med alla tre lagren, i vatten för att lösa det vattenlösliga skiktet, lämnar de två gummiliknande skikten flytande på vattenytan. Till sist, han rullade försiktigt de två genomskinliga skikten runt en svart gummifiber, för att producera den sista färgglada fotoniska fibern.

Reflekterande tryck

Teamet kan ställa in tjockleken på fibrernas lager för att skapa önskad färginställning, med standard optiska modelleringsmetoder anpassade för sin fiberdesign.

"Om du vill att en fiber ska gå från gult till grönt, eller blå, vi kan säga, 'Så här måste vi lägga ut fibern för att ge oss denna typ av [färg] bana, "" Kolle säger. "Det här är kraftfullt eftersom du kanske vill ha något som reflekterar rött för att visa en farligt hög belastning, eller grönt för 'ok'. Vi har den kapaciteten. "

Teamet tillverkade färgförändrande fibrer med en skräddarsydd, stamberoende färgvariation med hjälp av den teoretiska modellen, och sedan sy dem längs med ett konventionellt kompressionsförband, som de tidigare kännetecknade för att bestämma trycket som bandaget genererar när det sträcks med en viss mängd.

Teamet använde förhållandet mellan bandage stretch och tryck, och korrelationen mellan fiberfärg och stam, att göra ett färgschema, matcha fiberns färg (producerad genom en viss sträckning) till det tryck som genereras av bandaget.

För att testa bandagets effektivitet, Sandt och Moudio värvade över ett dussin studentvolontärer, som arbetade i par för att applicera tre olika kompressionsförband på varandras ben:ett vanligt bandage, ett bandage gängat med fotoniska fibrer, och ett kommersiellt tillgängligt bandage tryckt med rektangulära mönster. Detta bandage är utformat så att när det applicerar ett optimalt tryck, användare bör se att rektanglarna blir rutor.

Övergripande, bandaget vävt med fotoniska fibrer gav den tydligaste tryckåterkopplingen. Eleverna kunde tolka fibrernas färg, och baserat på färgkartan, applicera ett motsvarande optimalt tryck mer exakt än något av de andra bandagen.

Forskarna letar nu efter sätt att skala upp fiberframställningsprocessen. För närvarande, de kan göra fibrer som är flera centimeter långa. Helst, de skulle vilja producera meter eller till och med kilometer av sådana fibrer åt gången.

"För närvarande, fibrerna är dyra, mestadels på grund av det arbete som krävs för att göra dem, "Kolle säger." Materialet i sig är inte värt mycket. Om vi ​​kunde rulle ut kilometer av dessa fibrer med relativt lite arbete, då skulle de vara smutsiga billiga. "

Sedan, sådana fibrer kan träas in i bandage, tillsammans med textilier som sportkläder och skor som färgindikatorer för, säga, muskelspänning under träningspass. Kolle föreställer sig att de också kan användas som fjärrläsbara töjningsmätare för infrastruktur och maskiner.

"Självklart, de kan också vara ett vetenskapligt verktyg som kan användas i ett vidare sammanhang, som vi vill utforska, Säger Kolle.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.