Compressietherapie is een standaardbehandeling voor patiënten die lijden aan veneuze ulcera en andere aandoeningen waarbij aderen moeite hebben om bloed uit de onderste ledematen terug te voeren. Compressiekousen en bandages, strak om het aangedane ledemaat gewikkeld, kan helpen om de bloedstroom te stimuleren. Maar er is momenteel geen duidelijke manier om te meten of een verband een optimale druk uitoefent voor een bepaalde aandoening.

Nu hebben ingenieurs van MIT drukgevoelige fotonische vezels ontwikkeld die ze hebben geweven tot een typisch compressieverband. Terwijl het verband wordt uitgerekt, de vezels veranderen van kleur. Met behulp van een kleurenkaart, een verzorger kan een verband uitrekken totdat het overeenkomt met de kleur voor een gewenste druk, voordat, zeggen, het om het been van een patiënt wikkelen.

De fotonische vezels kunnen dan dienen als een continue druksensor - als hun kleur verandert, zorgverleners of patiënten kunnen aan de hand van de kleurenkaart bepalen of en in welke mate het verband losser of strakker moet worden gemaakt.

"De juiste druk krijgen is van cruciaal belang bij de behandeling van veel medische aandoeningen, waaronder veneuze ulcera, die elk jaar enkele honderdduizenden patiënten in de VS treffen, " zegt Mathias Kolle, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het MIT. "Deze vezels kunnen informatie geven over de druk die het verband uitoefent. We kunnen ze zo ontwerpen dat voor een specifieke gewenste druk, de vezels weerspiegelen een gemakkelijk te onderscheiden kleur."

Kolle en zijn collega's hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen voor de gezondheidszorg . Co-auteurs van MIT zijn onder meer eerste auteur Joseph Sandt, Marie Moudio, en Christian Argenti, samen met J. Kenji Clark van de Universiteit van Tokio, James Hardin van het onderzoekslaboratorium van de Amerikaanse luchtmacht, Matthew Carty van Brigham en Women's Hospital-Harvard Medical School, en Jennifer Lewis van de Harvard-universiteit.

Natuurlijke inspiratie

De kleur van de fotonische vezels komt niet voort uit enige intrinsieke pigmentatie, maar van hun zorgvuldig ontworpen structurele configuratie. Elke vezel is ongeveer 10 keer de diameter van een mensenhaar. De onderzoekers fabriceerden de vezel uit ultradunne lagen transparante rubbermaterialen, die ze oprolden om een ​​jelly-roll-achtige structuur te creëren. Elke laag in de rol is slechts een paar honderd nanometer dik.

In deze opgerolde configuratie, licht weerkaatst op elke interface tussen afzonderlijke lagen. Met voldoende lagen van consistente dikte, deze reflecties werken op elkaar in om sommige kleuren in het zichtbare spectrum te versterken, bijvoorbeeld rood, terwijl de helderheid van andere kleuren wordt verminderd. Hierdoor krijgt de vezel een bepaalde kleur, afhankelijk van de dikte van de lagen in de vezel.

"Structuurkleur is echt netjes, omdat je helderder kunt worden, sterkere kleuren dan met inkten of kleurstoffen door alleen bepaalde arrangementen van transparante materialen te gebruiken, " zegt Sandt. "Deze kleuren blijven bestaan ​​zolang de structuur behouden blijft."

Het ontwerp van de vezels is gebaseerd op een optisch fenomeen dat bekend staat als "interferentie, " in welk licht, gereflecteerd door een periodieke stapel dunne, transparante lagen, kan levendige kleuren produceren die afhankelijk zijn van de geometrische parameters en materiaalsamenstelling van de stapel. Optische interferentie veroorzaakt kleurrijke wervelingen in olieachtige plassen en zeepbellen. Het is ook wat pauwen en vlinders hun oogverblindende, verschuivende tinten, omdat hun veren en vleugels zijn gemaakt van soortgelijke periodieke structuren.

"Mijn interesse is altijd geweest in het nemen van interessante structurele elementen die aan de oorsprong liggen van de meest oogverblindende lichtmanipulatiestrategieën van de natuur, proberen ze opnieuw te creëren en in nuttige toepassingen te gebruiken, ' zegt Kol.

Een meerlagige aanpak

De aanpak van het team combineert bekende optische ontwerpconcepten met zachte materialen, om dynamische fotonische materialen te creëren.

Terwijl een postdoc aan Harvard in de groep van professor Joanna Aizenberg, Kolle werd geïnspireerd door het werk van Pete Vukusic, hoogleraar biofotonica aan de Universiteit van Exeter in het VK, op Margaritaria nobilis, een tropische plant die extreem glanzende blauwe bessen produceert. De schil van de vrucht bestaat uit cellen met een periodieke cellulosestructuur, waardoor licht kan reflecteren om de vrucht zijn kenmerkende metaalblauwe kleur te geven.

Samen, Kolle en Vukusic zochten naar manieren om de fotonische architectuur van de vrucht om te zetten in een bruikbaar synthetisch materiaal. uiteindelijk, ze maakten meerlaagse vezels van rekbare materialen, en veronderstelde dat het uitrekken van de vezels de dikte van de afzonderlijke lagen zou veranderen, waardoor ze de kleur van de vezels kunnen afstemmen. De resultaten van deze eerste inspanningen werden gepubliceerd in Geavanceerde materialen in 2013.

Toen Kolle in hetzelfde jaar bij de MIT-faculteit kwam, hij en zijn groep, inclusief Sandt, verbeterd op het ontwerp en de fabricage van de fotonische vezel. In hun huidige vorm, de vezels zijn gemaakt van lagen van veelgebruikte en algemeen verkrijgbare transparante rubbers, gewikkeld rond zeer rekbare vezelkernen. Sandt heeft elke laag gefabriceerd met spincoating, een techniek waarbij een rubber, opgelost in oplossing, wordt op een spinnewiel gegoten. Overtollig materiaal wordt van het wiel geslingerd, het verlaten van een dunne, uniforme coating, waarvan de dikte kan worden bepaald door de snelheid van het wiel.

Voor vezelvervaardiging, Sandt vormde deze twee lagen bovenop een in water oplosbare film op een siliciumwafel. Vervolgens dompelde hij de wafel onder, met alle drie de lagen, in water om de in water oplosbare laag op te lossen, waardoor de twee rubberachtige lagen op het wateroppervlak drijven. Eindelijk, hij rolde de twee transparante lagen voorzichtig om een ​​zwarte rubbervezel, om de uiteindelijke kleurrijke fotonische vezel te produceren.

Reflecterende druk

Het team kan de dikte van de vezellagen afstemmen om elke gewenste kleurafstemming te produceren, met behulp van standaard optische modelleringsbenaderingen die zijn aangepast aan hun vezelontwerp.

"Als je wilt dat een vezel van geel naar groen gaat, of blauw, we kunnen zeggen, 'Dit is hoe we de vezel moeten leggen om ons dit soort [kleur] traject te geven, '" zegt Kolle. "Dit is krachtig omdat je misschien iets wilt hebben dat rood reflecteert om een ​​gevaarlijk hoge spanning te laten zien, of groen voor 'ok'. Die capaciteit hebben we."

Het team fabriceerde van kleur veranderende vezels met een op maat gemaakte, spanningsafhankelijke kleurvariatie met behulp van het theoretische model, en ze vervolgens over de lengte van een conventioneel compressieverband genaaid, die ze eerder karakteriseerden om de druk te bepalen die het verband genereert wanneer het met een bepaalde hoeveelheid wordt uitgerekt.

Het team gebruikte de relatie tussen verbandrek en druk, en de correlatie tussen vezelkleur en rek, om een ​​kleurenkaart op te stellen, de kleur van een vezel (geproduceerd door een bepaalde hoeveelheid rekken) afstemmen op de druk die door het verband wordt gegenereerd.

Om de effectiviteit van het verband te testen, Sandt en Moudio schakelden meer dan een dozijn studentvrijwilligers in, die in paren werkten om drie verschillende compressieverbanden op elkaars benen aan te brengen:een effen verband, een verband met fotonische vezels, en een in de handel verkrijgbaar verband bedrukt met rechthoekige patronen. Dit verband is zo ontworpen dat wanneer het een optimale druk uitoefent, gebruikers moeten zien dat de rechthoeken vierkanten worden.

Algemeen, het verband geweven met fotonische vezels gaf de duidelijkste drukfeedback. De leerlingen konden de kleur van de vezels interpreteren, en op basis van de kleurenkaart, oefen een overeenkomstige optimale druk nauwkeuriger uit dan elk van de andere zwachtels.

De onderzoekers zoeken nu naar manieren om het vezelfabricageproces op te schalen. Momenteel, ze kunnen vezels maken die enkele centimeters lang zijn. Ideaal, ze zouden meters of zelfs kilometers van dergelijke vezels tegelijk willen produceren.

"Momenteel, de vezels zijn duur, vooral vanwege de arbeid die nodig is om ze te maken, ', zegt Kolle. 'De materialen zelf zijn niet veel waard. Als we kilometers van deze vezels zouden kunnen afrollen met relatief weinig werk, dan zouden ze spotgoedkoop zijn."

Vervolgens, dergelijke vezels kunnen in verband worden geregen, samen met textiel zoals sportkleding en schoenen als kleurindicatoren voor, zeggen, spierspanning tijdens trainingen. Kolle voorziet dat ze ook kunnen worden gebruikt als op afstand uitleesbare rekstrookjes voor infrastructuur en machines.

"Natuurlijk, ze kunnen ook een wetenschappelijk hulpmiddel zijn dat in een bredere context kan worden gebruikt, die we willen onderzoeken, ' zegt Kol.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.