Geprezen als een "kruising tussen een snelle centrifuge en een suikerspinmachine, " bio-ingenieurs van Harvard hebben een nieuwe, praktische technologie voor het vervaardigen van minuscule nanovezels.

De verwijzing door hoofdauteur Mohammad Reza Badrossamay naar de kermistraktatie van gesponnen suiker is opzettelijk, terwijl het apparaat letterlijk - en net zo gemakkelijk - draait, strekt zich uit, en duwt op polymeer gebaseerde draden met een diameter van 100 nanometer naar buiten met behulp van een roterende trommel en mondstuk.

De uitvinding, gerapporteerd in de online editie van 24 mei van Nano-letters , kan een zegen zijn voor de industrie, met mogelijke toepassingen variërend van kunstmatige organen en weefselregeneratie tot kleding en luchtfilters. De onderzoekers hebben patent aangevraagd op hun ontdekking.

"Dit is een enorm superieure methode voor het maken van nanovezels in vergelijking met typische methoden, met een productieoutput die vele malen groter is, " zegt co-auteur Kit Parker, Thomas D. Cabot Universitair hoofddocent toegepaste wetenschappen en universitair hoofddocent bio-engineering aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS); een kernfaculteitslid van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan Harvard; en lid van het Harvard Stem Cell Institute. "Onze techniek zal zeer wenselijk zijn voor de industrie, omdat de eenvoudige machines de productie van nanovezels gemakkelijk in elk laboratorium kunnen brengen. In werkelijkheid, met deze techniek kunnen we nanotextiel mainstreamen."

Daarentegen, de meest gebruikelijke methode om nanovezels te maken is door middel van elektrospinnen, of het sturen van een elektrische hoogspanningsverandering in een druppel polymeervloeistof om lange slierten nanoschaaldraden te verwijderen. Hoewel effectief, electrospinning biedt beperkte controle en lage output van de gewenste vezels.

De onderzoekers van Harvard zochten een eenvoudigere oplossing, met behulp van roterende jetspinning. Het snel toevoeren en vervolgens roteren van het polymeermateriaal in een reservoir bovenop een regelbare motor biedt meer controle en een grotere opbrengst.

Wanneer gesponnen, het materiaal rekt net als gesmolten suiker uit als het dun begint op te drogen, zijdeachtige linten. Net als bij de productie van suikerspin, de nanovezels worden geëxtrudeerd door een mondstuk door een combinatie van hydrostatische en centrifugale druk.

De resulterende stapel geëxtrudeerde vezels vormt een bagelachtige vorm met een diameter van ongeveer 10 cm.

"Het nieuwe systeem biedt fabricage van natuurlijk voorkomende en synthetische polymeren, evenals veel controle over vezeluitlijning en webporositeit, hiërarchische en ruimtelijke organisatie van vezelige steigers en driedimensionale assemblages, " zegt Badrossamay, een postdoctoraal onderzoeker in het Wyss Institute en lid van Parker's lab bij SEAS.

De onderzoekers testten het nieuwe apparaat met een verscheidenheid aan synthetische en natuurlijke polymeren zoals polymelkzuur in chloroform, een biologisch afbreekbaar polymeer gemaakt van maïszetmeel of suikerriet dat is gebruikt als milieuvriendelijk alternatief voor plastic in artikelen zoals wegwerpbekers.

Bovendien, de snelle spinmethode biedt een hoge mate van flexibiliteit omdat de diameter van de vezels gemakkelijk kan worden gemanipuleerd en de structuren kunnen worden geïntegreerd in een uitgelijnde driedimensionale structuur of elke vorm door simpelweg te variëren hoe de vezels worden verzameld.

De vorm van de vezels kan ook worden gewijzigd, variërend van kralen tot getextureerd tot glad.

Parker's Disease Biophysics Group (DBG), die uitgebreide expertise heeft op het gebied van hartweefselengineering, gebruikte de technologie ook om scaffolds voor weefselengineering te vormen, of kunstmatige structuren waarop weefsel zich kan vormen en groeien.

Hartweefsel van ratten werd geïntegreerd en uitgelijnd met de nanovezels, en, zoals gezien in eerdere studies, gevormde slagspier.

"Een paar jaar geleden bezocht ik de Society of Laproscopic Surgeons om de demo's van de apparatuur te bekijken en het drong tot me door dat we technieken moesten ontwikkelen om de steigerproductie te miniaturiseren, zodat we het in vivo konden doen. Onze bevinding is de eerste stap, ", legt Parker uit. "De eerste tests suggereren dat onze techniek ongelooflijk veelzijdig is voor zowel onderzoek als alledaagse toepassingen. Omdat voor het draaien van roterende jets geen hoogspanning nodig is, het maakt echt nanovezelfabricage voor iedereen mogelijk."

De onderzoekers verwachten het proces voor tissue engineering-toepassingen verder te verfijnen en te zoeken naar mogelijkheden om de vooruitgang in andere textieltoepassingen te benutten.