Groene productie wordt een steeds kritischer proces in alle sectoren, voortgestuwd door een groeiend bewustzijn van de negatieve milieu- en gezondheidseffecten van traditionele praktijken. In de biomaterialenindustrie electrospinning is een universele fabricagemethode die over de hele wereld wordt gebruikt om vezelachtige mazen op nano- tot microschaal te produceren die sterk lijken op de oorspronkelijke weefselarchitectuur. Het proces, echter, heeft van oudsher oplosmiddelen gebruikt die niet alleen schadelijk zijn voor het milieu, maar ook een aanzienlijke belemmering vormen voor industriële schaalvergroting, klinische vertaling, en, uiteindelijk, wijdverbreid gebruik.

Onderzoekers van Columbia Engineering melden dat ze een "groen elektrospinproces" hebben ontwikkeld dat veel van de uitdagingen aanpakt om deze fabricagemethode op te schalen, van het beheersen van de milieurisico's van de opslag en verwijdering van vluchtige oplosmiddelen in grote volumes tot het voldoen aan gezondheids- en veiligheidsnormen tijdens zowel fabricage als implementatie. De nieuwe studie van het team, gepubliceerd op 28 juni 2021, door Biofabricage , beschrijft hoe ze de fabricage van nanovezels van veelgebruikte biologische en synthetische polymeren (bijv. poly-α-hydroxyesters, collageen), polymeer mengsels, en polymeer-keramische composieten.

De studie onderstreept ook de superioriteit van groene productie. De "groene" vezels van de groep vertoonden uitzonderlijke mechanische eigenschappen en bewaarde bioactiviteit van de groeifactor in vergelijking met traditionele vezeltegenhangers, wat essentieel is voor toepassingen voor medicijnafgifte en weefselengineering.

Regeneratieve geneeskunde is een wereldwijde industrie van $ 156 miljard, een die exponentieel groeit. Het team van onderzoekers, geleid door Helen H. Lu, Percy K. en Vida L.W. Hudson hoogleraar biomedische technologie, wilde de uitdaging aangaan van het opzetten van schaalbare groene productiepraktijken voor biomimetische biomaterialen en steigers die worden gebruikt in regeneratieve geneeskunde.

"We denken dat dit een paradigmaverschuiving is in biofabricage, en zal de vertaling van schaalbare biomaterialen en biomimetische scaffolds voor tissue engineering en regeneratieve geneeskunde versnellen, " zei Lu, een leider in onderzoek naar weefselinterfaces, in het bijzonder het ontwerp van biomaterialen en therapeutische strategieën voor het herscheppen van de natuurlijke synchroniciteit van het lichaam tussen weefsels. "Groen elektrospinnen behoudt niet alleen de compositie, scheikunde, architectuur, en biocompatibiliteit van traditioneel electrospun vezels, maar het verbetert ook hun mechanische eigenschappen door de vervormbaarheid van traditionele vezels te verdubbelen zonder afbreuk te doen aan de opbrengst of de uiteindelijke treksterkte. Ons werk biedt zowel een meer biocompatibele als duurzame oplossing voor schaalbare fabricage van nanomaterialen."

Het team, waaronder verschillende BME-promovendi uit de groep van Lu, Christopher Mosher Ph.D.'20 en Philip Brudnicki, evenals Theanne Schiros, een expert in milieubewuste textielsynthese die ook onderzoekswetenschapper is bij Columbia MRSEC en assistent-professor bij FIT, duurzaamheidsprincipes toegepast op de productie van biomateriaal, en ontwikkelde een groen elektrospinproces door systematisch te testen wat de FDA beschouwt als biologisch goedaardige oplosmiddelen (Q3C-klasse 3).

Ze identificeerden azijnzuur als een groen oplosmiddel met een lage ecologische impact (Sustainable Minds Life Cycle Assessment) en ondersteunt een stabiele elektrospinning-straal onder routinematige fabricageomstandigheden. Door het afstemmen van elektrospinparameters, zoals naaldplaatafstand en stroomsnelheid, de onderzoekers waren in staat om de fabricage van onderzoeks- en industriestandaard biomedische polymeren te verbeteren, het verminderen van de schadelijke productie-effecten van het elektrospinproces met drie tot zes keer.

Groene electrospun materialen kunnen in een breed scala aan toepassingen worden gebruikt. Lu's team werkt momenteel aan de verdere innovatie van deze materialen voor orthopedische en tandheelkundige toepassingen, en het uitbreiden van dit milieubewuste fabricageproces voor schaalbare productie van regeneratieve materialen.

"Biofabricage wordt de 'vierde industriële revolutie' genoemd na stoommachines, Elektrische kracht, en het digitale tijdperk voor het automatiseren van massaproductie, " merkte Mosher op, de eerste auteur van de studie. "Dit werk is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van duurzame praktijken in de volgende generatie van de productie van biomaterialen, die van het grootste belang is geworden te midden van de wereldwijde klimaatcrisis."