Als je het lab van Andrew Steckl aan de Universiteit van Cincinnati bezoekt, je ziet een onopvallende glazen doos die verschillende vezels met elkaar weeft.

Hij ziet eindeloze mogelijkheden.

Steckl's lab komt met nieuwe toepassingen voor een fabricageproces genaamd coaxiale elektrospinning, die twee of meer materialen combineert tot een fijne vezel voor gebruik in de industrie, textiel of zelfs medicijnen. De machine pompt twee of meer vloeibare polymeren in een mondstuk dat druppelt als een lekkende kraan. Zodra elektrische spanning wordt toegepast, het infuus verandert in een spinragfijne straal bestaande uit een kern van het ene materiaal omgeven door een omhulsel van een ander.

"Het ziet er bedrieglijk eenvoudig uit. Maar de chemie is de geheime saus, " hij zei.

Steckl is een Ohio Eminent Scholar en professor aan UC's College of Engineering and Applied Science. Zijn laatste studie, deze maand op de omslag van het tijdschrift verschenen ChemPlusChem , schetste de vele toepassingen van een productieproces dat de verbazingwekkende eigenschappen van het ene materiaal combineert met de krachtige voordelen van een ander.

Electrospinning werd uitgevonden in 1902 en werd voor het eerst toegepast op textiel in de jaren dertig van de vorige eeuw. Maar nu pas realiseren onderzoekers het volledige potentieel ervan. Het Nano-elektronicalaboratorium van Steckl is bezig geweest met nieuwe combinaties van "ingrediënten" om te profiteren van hun unieke voordelen.

"Het mooie is dat je combinaties van polymeren kunt hebben met eigenschappen die je normaal niet in de natuur aantreft, ' zei Stekel.

Hij heeft een groot deel van het afgelopen decennium besteed aan het onderzoeken van het enorme potentieel van electrospinning.

"Dit is het beste sinds gesneden brood - niet dat ik van gesneden brood houd, ', zei de marathonloper.

Bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen een stijve kern combineren met zachte, flexibel of zelfklevend materiaal. Of ze kunnen een waterbestendige schaal creëren rond een verbinding die snel oplost in water.

"Of je kunt medicijnmoleculen aan de binnenkant plaatsen voor een behandeling, omringd door pijnstillende moleculen aan de buitenkant, " hij zei.

Een nadeel is het produceren van genoeg materiaal voor commercieel gebruik. Maar tientallen bedrijven in de Verenigde Staten en over de hele wereld komen met grootschalige productiesystemen voor electrospun vezels. Steckl werkt samen met onderzoekspartners van UC en andere onderzoeksuniversiteiten om de mogelijkheden te verkennen.

Hij en voormalig UC College of Pharmacy-professor Giovanni Pauletti willen effectievere anticonceptie creëren met behulp van coaxiale elektrospinning. Pauletti doceert nu aan het St. Louis College of Pharmacy.

De electrospun-vezel zou een tamponachtige toepassing zijn die wordt gebruikt om sperma te vangen en te doden. Een andere versie zou anti-infectieuze medicijnen kunnen vrijgeven om seksueel overdraagbare aandoeningen te voorkomen, zei Pauletti.

Steckl zei dat ze hopen te bewijzen dat het apparaat zowel gemakkelijker te gebruiken als effectiever is dan andere anticonceptiemiddelen van het sponstype.

Steckl werkt ook samen met onderzoekers van de Johns Hopkins University om traditionele chemotherapie te vervangen door een gelokaliseerde behandeling van hersentumoren, glioblastoma genaamd.

"Chemotherapie is in wezen een behandeling van het hele lichaam. De behandeling moet door de bloed-hersenbarrière gaan, wat betekent dat de dosis voor het hele lichaam die u krijgt veel hoger moet zijn, " zei Steckl. "Dit kan gevaarlijk zijn en giftige bijwerkingen hebben."

Steckl en onderzoekspartners Dr. Henry Brem en Betty Tyler van de Johns Hopkins University pionieren met een behandeling waarbij de glioblastoma-laesie wordt verwijderd en een coaxiale elektrospun-capsule wordt aangebracht om het geneesmiddel gedurende dagen of weken lokaal toe te dienen. Brem en Tyler ontwikkelden eerder in 2003 een behandelingswafel genaamd Gliadel voor glioblastoom.

Tyler, die het Hunterian Neurosurgical Laboratory in Johns Hopkins leidt, zei dat het implanteren van de Gliadel-wafel geladen met chemotherapie op de plaats van de verwijderde laesie medicijnen toepast waar het het meest nodig is in een concentratie die anders moeilijk te bereiken zou zijn zonder een patiënt bloot te stellen aan een giftige dosis.

Tot dusver, Steckl zei, dierproeven hebben aangetoond dat elektrospun vezels nog betere resultaten opleveren omdat chirurgen verschillende combinaties van behandelingen kunnen toepassen die medicijnen voor de gewenste duur leveren.

"De unieke electrospun-formule van Dr. Steckl sprak ons ​​om meerdere redenen aan, "Zei Tyler. "Het heeft de mogelijkheid om langzaam zijn lading vrij te geven, het is biocompatibel en er kunnen meerdere medicijnen worden geladen en vrijgegeven."

Tyler zei dat ze van plan zijn om elektrospinning toe te passen op andere door de FDA goedgekeurde medicijnen in unieke combinaties voor de behandeling van hersentumoren.

"Onze hoop is om deze middelen te leveren met behulp van de technologie van Dr. Steckl om uiteindelijk de therapeutische opties voor patiënten met hersentumoren te vergroten, ' zei Tyler.

Steckl zei dat het grote oppervlak en de aangepaste eigenschappen van de vezels ze tot een ideaal medicijnafgiftesysteem maken. Bijvoorbeeld, patiënten die meerdere keren per dag medicijnen moeten gebruiken voor aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson, kunnen mogelijk een enkele langwerkende dosis nemen die is gemaakt van elektrospun-medicijnen.

"Het probleem is dat u zich misschien uw ochtenddosis herinnert, maar je zou je middagdosis kunnen vergeten, "zei hij. "Moet ik er nog een nemen? Heb ik er vandaag drie genomen? Een enkele, langer durende dosis is een stuk eenvoudiger."

Steckl zei dat onderzoekers electrospun-medicijnen maken met vezels die alleen oplossen bij een bepaalde zuurgraad in het spijsverteringsstelsel. Dit kan de afgifte van de actieve ingrediënten vertragen of verlengen.

"Het is een vrij slim idee, " hij zei.

UC senior onderzoeksmedewerker Daewoo Han, hoofdauteur van de ChemPlusChem studie, genoemde electrospinning is gebruikt om veelzijdige nanovezels te creëren. Naast medicijnen, de nieuwste toepassingen zijn onder meer geavanceerde batterijen.

"Er zijn onbeperkte mogelijkheden voor samenwerkingen in verschillende disciplines, leidend tot excellente multidisciplinaire onderzoeksprojecten, "Zei Han. "Ik ben erg enthousiast over de samenwerking met experts op andere gebieden en instituten."

Han zei dat hij het leuk vond om in het Nanoelectronics Laboratory van Steckl te werken.

"Hij is altijd bereid om met zijn studenten om te gaan en hen agressief te ondersteunen, "Zei Han. "Hij is niet alleen toegewijd aan het huidige onderzoek, maar geniet ook van het nastreven van nieuwe onderzoeksthema's."

Hoewel de onderzoeksgroep van UC niet de eerste is die elektrospun vezels bestudeert, het levert grote resultaten op, zei Steckl.

"We hebben het veld enorm verbreed. We zijn een van de toponderzoeksgroepen ter wereld die werkt aan coaxiale elektrospinning. Het was heel leuk, " hij zei.

Hoe komt een elektrotechnisch ingenieur zonder medische achtergrond met nieuwe oplossingen in enkele van de meest complexe disciplines van de geneeskunde, zoals neurochirurgie? Steckl zei dat hij een collaboratieve geest en een onverschrokkenheid heeft om vragen na te jagen die ver van engineering liggen.

"We nemen onze nieuwsgierigheid waar het ons leidt, " hij zei.