Forskare vid TU Wien har utvecklat en ny metod som är lämplig för mekanisk dragprovning av mikro- och nanofibrer. Specialfunktionen:Prover kan kopplas reversibelt till och från kraftsensorn.

Att testa styvheten eller draghållfastheten hos fibrer i nano till mikroområdet experimentellt är ofta mycket tidskrävande. Proverna måste i de flesta fall fästas med lim på båda ändarna. Härdningen av limmet tar tid och sensorn som fibern är limmad på kan inte återanvändas.

Forskare från TU Wien, Mathis Nalbach, Philipp Thurner och Georg Schitter, har utvecklat ett testsystem som övervinner dessa hinder. Funktionsprincipen är följande:En magnetisk mikrosfär fäst vid nanofibern kan plockas upp med en magnetisk pincett. Detta gör att sfären kan föras in i gaffeln som är fäst vid en kraftsensor och därigenom kopplas till sensorn. Eftersom den magnetiska sfären även kan tas bort från gaffeln med hjälp av magnetpincetten, kan ytterligare en nanofiber plockas upp direkt. Detta ökar avsevärt provgenomströmningen. Forskarna presenterade nyligen NanoTens dragtestare i tidskriften Review of Scientific Instruments .

Anpassad till de verkliga förhållandena

Medan atomkraftsmikroskopet kan användas för att undersöka de mekaniska egenskaperna hos en fiber med hjälp av ett nano-penetrationstest, möjliggör NanoTens materialtestning för fibrer under den mer relevanta dragbelastningen. Philipp Thurner från forskningsavdelningen för biomekanik förklarar arbetsprincipen så här:"Du kan föreställa dig enheten som en mikroskopisk gaffeltruck. Den magnetiska kulan, som är limmad på fibern, förs in i gaffeln. Genom att flytta gaffeln uppåt eller nedåt, fibern kan nu testas under dragbelastning. Denna typ av belastning är särskilt relevant för biologiska fibrer som kollagenfibriller. Fysiologiskt belastas dessa huvudsakligen under spänning, och därför är deras mekaniska egenskaper särskilt relevanta under just denna belastning."

Biomekanikerna Nalbach och Thurner undersöker mest naturfibrer som kollagen. Eftersom deras mekaniska egenskaper är starkt beroende av yttre förhållanden är det viktigt att även ta hänsyn till dessa vid dragprovning. "Vi lyckas med detta eftersom dragtester kan utföras i olika medier med NanoTens. En torr kollagenfiber är till exempel mycket sprödare och styvare än en fuktig eller helt återfuktad. Dess diameter minskar också avsevärt när den torkas ut", säger Mathis Nalbach, första författare till studien.

Kvalitet och kvantitet ökar

Med sin metod lyckas forskarna inte bara simulera fysiologiska tillstånd, utan resultaten som genereras med NanoTens vinner också giltighet. Detta beror på att ett stort antal mätningar behövs för att få meningsfulla resultat på biologiska material som kollagenfibriller. "Konventionella metoder tillåter oss att undersöka endast ett eller två prover per vecka. Detta gör det praktiskt taget omöjligt att genomföra statistiskt meningsfulla studier", beskriver Nalbach. Philipp Thurner tillägger:"Den nya metoden gör att fibrerna kan anslutas och kopplas bort snabbt. Som ett resultat – och eftersom sensorn återanvänds – kan vi inte bara öka antalet dragprov till upp till 50 mätningar per vecka, utan också mätningens precision."

Dragproven kan – beroende på val – utföras över ett brett kraftområde och manipuleras via ett styrsystem. Detta är viktigt eftersom dragprovningsmetoder normalt utgår från att materialet har linjära elastiska egenskaper. Detta är dock inte fallet med biologiska vävnader, såsom kollagenfibriller:de är viskoelastiska. Kraftkontrollerad dragprovning möjliggör undersökning av denna viskoelasticitet.

Från uppfinningen till produkten

NanoTens har redan patenterats internationellt av TU Wien. "Nästa steg skulle vara att gå samman med industriella partners. Vi hoppas kunna hitta en licenstagare med hjälp av forsknings- och överföringsstödet. Vi är intresserade av att samarbeta med industrin i detta ämne", säger Mathis Nalbach. NanoTens är designad på ett sådant sätt att den generellt sett kan integreras i valfri fördjupningsmätanordning eller atomkraftmikroskop. Förutom materialvetenskap används även dragprovning – bland annat – inom biovetenskap, halvledarteknik och elektronik. + Utforska vidare

Numeriska simuleringar av dragtester av röda blodkroppar