Hyllad som en "korsning mellan en höghastighetscentrifug och en sockervaddsmaskin, "bioingenjörer vid Harvard har utvecklat en ny, praktisk teknik för tillverkning av små nanofibrer.

Hänvisningen av huvudförfattaren Mohammad Reza Badrossamay till nöjesgodisen av spunnet socker är avsiktlig, när enheten bokstavligen – och lika lätt – snurrar, sträcker sig, och trycker ut polymerbaserade trådar med en diameter på 100 nanometer med hjälp av en roterande trumma och munstycke.

Uppfinningen, rapporterade i nätupplagan den 24 maj av Nanobokstäver , kan vara en välsignelse för industrin, med potentiella tillämpningar som sträcker sig från konstgjorda organ och vävnadsregenerering till kläder och luftfilter. Forskarna har lämnat in patent på sin upptäckt.

"Detta är en mycket överlägsen metod att göra nanofibrer jämfört med typiska metoder, med mångdubbelt högre produktion, säger medförfattaren Kit Parker, Thomas D. Cabot Docent i tillämpad vetenskap och docent i bioteknik vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS); en kärnfakultetsmedlem i Wyss Institue for Biologically Inspired Engineering vid Harvard; och medlem av Harvard Stem Cell Institute. "Vår teknik kommer att vara mycket önskvärd för industrin, eftersom de enkla maskinerna lätt kunde ta in nanofiberproduktion till vilket laboratorium som helst. I själva verket, med denna teknik kan vi mainstreama nanotextilier."

Däremot den vanligaste metoden för att skapa nanofibrer är genom elektrospinning, eller skicka en elektrisk högspänningsändring till en droppe polymervätska för att dra ut långa trådar av nanoskala. Även om det är effektivt, elektrospinning erbjuder begränsad kontroll och låg effekt av de önskade fibrerna.

Harvardforskarna vände sig till en enklare lösning, med hjälp av roterande jetspinning. Att snabbt mata och sedan rotera polymermaterialet inuti en reservoar ovanpå en kontrollerbar motor ger mer kontroll och större utbyte.

När det snurras, materialet sträcker sig ungefär som smält socker gör när det börjar torka till tunt, silkeslena band. Precis som vid tillverkning av sockervadd, nanofibrerna extruderas genom ett munstycke genom en kombination av hydrostatiskt och centrifugaltryck.

Den resulterande högen av extruderade fibrer formas till en bagelliknande form med en diameter på cirka 10 cm.

"Det nya systemet erbjuder tillverkning av naturligt förekommande och syntetiska polymerer samt mycket kontroll över fiberinriktning och banporositet, hierarkisk och rumslig organisation av fibrösa ställningar och tredimensionella enheter, säger Badrossamay, en postdoktor vid Wyss Institute och medlem av Parkers labb vid SEAS.

Forskarna testade den nya enheten med en mängd olika syntetiska och naturliga polymerer som polymjölksyra i kloroform, en biologiskt nedbrytbar polymer skapad av majsstärkelse eller sockerrör som har använts som ett miljövänligt alternativ till plast i föremål som engångsmuggar.

Dessutom, den snabba spinnmetoden ger en hög grad av flexibilitet eftersom diametern på fibrerna lätt kan manipuleras och strukturerna kan integreras i en inriktad tredimensionell struktur eller vilken form som helst genom att helt enkelt variera hur fibrerna samlas upp.

Fibrernas form kan också ändras, allt från pärlor till texturerat till slätt.

Parkers Disease Biophysics Group (DBG), som har omfattande expertis inom hjärtvävnadsteknik, använde också tekniken för att forma vävnadstekniska ställningar, eller konstgjorda strukturer på vilka vävnad kan bildas och växa.

Hjärtvävnad från råttor integrerades och anpassades med nanofibrerna, och, som sett i tidigare studier, bildade slagmuskler.

"Jag besökte Society of Laproscopic Surgeons för ett par år sedan för att titta på utrustningsdemonstrationen och det gick upp för mig att vi behövde utveckla tekniker för att miniatyrisera tillverkningen av ställningsställningar så att vi kunde göra det in vivo. Vår upptäckt är det första steget, " förklarar Parker. "De första testerna tyder på att vår teknik är otroligt mångsidig för både forskning och vardagliga tillämpningar. Eftersom roterande jetspinning inte kräver hög spänning, det ger verkligen nanofibertillverkning till alla."

Forskarna förväntar sig att ytterligare förfina processen för vävnadstekniska tillämpningar och att leta efter möjligheter att utnyttja framstegen inom andra textila tillämpningar.