Ett material som tjocknar när du drar i det verkar motsäga fysikens lagar. Dock, den så kallade auxetiska effekten, som också förekommer i naturen, är intressant för ett antal applikationer. En ny Empa -studie som nyligen publicerades i Naturkommunikation visar hur detta fantastiska beteende kan förbättras - och till och med användas för att behandla skador och vävnadsskador.

Naturen visar oss hur vi gör det:En kalv som suger mjölk från juvret på en moderko använder en fascinerande fysisk egenskap hos spenen, som består av en auxetisk vävnad. Paradoxalt, sådana vävnader blir inte smalare under spänning, som ett gummiband, men bredare, tvärs mot dragriktningen. Därför, komjölken kan flyta obehindrat genom spenen. Empa -forskare har nu visat de häpnadsväckande auxetiska egenskaperna hos nanofibermembran som utvecklats specifikt för detta ändamål. Studien publicerad i Naturkommunikation pekar på ett brett spektrum av applikationer för auxetiska material, inklusive användning av auxetiska membran för att regenerera mänsklig vävnad efter skador.

Hudskador eller vävnadsskador på inre organ läker av, bland annat, migrerande celler som sätter sig och bildar en frisk ersättningsvävnad. Vad som vanligtvis görs utan vidare när det gäller, säga, ett litet snitt i fingertoppen kan överstiga människokroppens möjligheter, till exempel, när komplexa sår uppstår, såsom brännskador, eller när en mer utbredd vävnadsregenerering krävs.

Dock, vävnadsregenerering kan underlättas:Om en lämplig byggnadsställning tillhandahålls, de önskade cellerna lägger sig lättare och växer längs den fördefinierade strukturen. Empa -forskare vid Biomimetic Membranes and Textiles lab i St. Gallen har nu utvecklat nya matrissystem med auxetiska egenskaper. Genom elektrospinning, upplösta polymerer centrifugeras som plattor-tunna filament i en form som liknar den mänskliga extracellulära matrisen. Detta gör det möjligt att producera flerskiktsmembran från nanofibrer som är biokompatibla och som kan planteras in i människokroppen. "Om biopolymerer som polymjölksyror används i spinnprocessen, membranen kan till och med brytas ned av kroppen, "förklarar Empa -forskaren Giuseppino Fortunato. Dessutom har bioaktiva ämnen eller läkemedel kan införlivas i fibrerna för kontrollerad och minimerad frisättning.

Attraktiv porstorlek

En av utmaningarna hittills har varit att göra porstorleken i det snurrade membranet så attraktivt som möjligt för de önskade kroppscellerna att fästa. I de ursprungliga membranen, polymertrådarna bildade bara små porer på några mikrometer. Med sina 20 mikrometer, dock, en vävnadscell som ska kolonisera ställningen är alldeles för stor för att passa tätt i membranet.

Efter att forskarna hade optimerat spinnparametrarna kunde ett polymernätverk med överraskande egenskaper produceras:När membranet utsattes för mjuka dragkrafter, sträcker det med cirka 10 procent, istället för att bli tunnare ökade materialet cirka 5 gånger i volym och till och med 10 gånger med tjockleken. "En auxetisk effekt av denna storlek är nästan ett världsrekord, "entusiaster Alexander Ehret från Empas experimentella kontinuummekaniklabb. Ehret och hans team hade först förutspått den extraordinära effekten med hjälp av mekanisk modellering och simulerade den på datorn innan vi analyserade membranprover experimentellt." Vi körde simuleringarna på datorn flera gånger eftersom resultaten var så häpnadsväckande, "säger Ehret. Den auxetiska effekten, som kan kvantifieras matematiskt med förhållandet mellan tvärgående och longitudinell stam - Poissons förhållande -, kännetecknas av negativa värden för Poissons förhållande. "Än så länge, värden runt -20 har uppnåtts. Våra resultat var långt under -100, "säger biomekaniksexperten.

Och visst:I dragproven, polymermembranen betedde sig som simulerade på datorn. Effekten kan förklaras av fibrer som anpassar sig under spänning och därigenom utövar påtryckningar på sina tvärgående kollegor i nätverket. Beroende på längd och tjocklek, fibrerna under tryck tvingas böja uppåt eller nedåt och leder därmed till en volymökning.

Expandera på begäran

I grund och botten, elektrospunna membran är lämpliga för behandling av sår och vävnadsskador på så olika platser som på huden, i blodkärl och i inre organ eller till och med vid benskador. Ett lämpligt urval av polymerer och optimerade spinnparametrar gör att polymermembranet kan anpassas till målvävnadens egenskaper. "Tack vare den större volymen som orsakas av den auxetiska effekten, matrisstrukturerna är nu ännu mer attraktiva för kroppens celler och kan underlätta läkningsprocessen, säger Giuseppino Fortunato.

Förutom dess användning inom biomedicin, konceptet, som redan är patentsökt, kan också tillämpas på många andra områden. Enligt forskarna, membran som kan aktiveras genom spänning för att frigöra inneslutna partiklar, justerbara filter eller fyllnadsmaterial som bara expanderar till sin slutliga volym vid användning, dvs nästan "expandera på efterfrågan, "är potentiella framtida applikationer.

Nanofibrernas struktur

Den inre strukturen hos enskilda nanofibrer har ett stort inflytande på membranets egenskaper. Om nanofibrer behandlas med vissa lösningsmedel, strukturen hos nanofibrerna kan belysas. Empa -forskaren Alexandre Morel har nu upptäckt att olika spinnparametrar resulterar i olika fiberstrukturer, såsom fibrillära eller shish kebab -faser. I elektronmikroskopet verkar shish kebabstrukturer som staplade lager som liknar en kebabspett. De har ett stort inflytande på membranens mekaniska egenskaper och därmed också på den auxetiska effekten.