Een materiaal dat dikker wordt als je eraan trekt, lijkt in tegenspraak met de wetten van de natuurkunde. Echter, het zogenaamde auxetische effect, die ook in de natuur voorkomt, is interessant voor een aantal toepassingen. Een nieuwe Empa-studie die onlangs is gepubliceerd in Natuurcommunicatie laat zien hoe dit verbazingwekkende gedrag kan worden verbeterd - en zelfs kan worden gebruikt om verwondingen en weefselbeschadiging te behandelen.

De natuur laat ons zien hoe het moet:een kalf dat melk uit de uier van een moederkoe zuigt, gebruikt een fascinerende fysieke eigenschap van de speen, die bestaat uit een auxetisch weefsel. Paradoxaal genoeg, dergelijke weefsels worden niet smaller onder spanning, zoals een rubberen band, maar breder, dwars op de trekrichting. Daarom, de koemelk kan ongehinderd door de speen stromen. Empa-wetenschappers hebben nu de verbazingwekkende auxetische eigenschappen aangetoond van nanovezelmembranen die speciaal voor dit doel zijn ontwikkeld. De studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie wijst op een breed scala aan toepassingen voor auxetische materialen, inclusief het gebruik van auxetische membranen om menselijk weefsel te regenereren na verwondingen.

Huidletsels of weefselschade aan inwendige organen genezen door, onder andere, migrerende cellen die bezinken en een gezond vervangend weefsel vormen. Wat wordt meestal zonder meer gedaan in het geval van, zeggen, een kleine incisie in uw vingertop kan de mogelijkheden van het menselijk lichaam overschrijden, bijvoorbeeld, wanneer complexe wonden optreden, zoals brandwonden, of wanneer een meer wijdverbreide weefselregeneratie nodig is.

Echter, weefselregeneratie kan worden vergemakkelijkt:als er een geschikte steiger wordt geleverd, de gewenste cellen vestigen zich gemakkelijker en groeien langs de vooraf gedefinieerde structuur. Empa-onderzoekers van het Biomimetic Membranes and Textiles-lab in St. Gallen hebben nu nieuwe matrixsystemen met auxetische eigenschappen ontwikkeld. Door elektrospinnen, opgeloste polymeren worden gesponnen als flinterdunne filamenten in een vorm die lijkt op de menselijke extracellulaire matrix. Dit maakt het mogelijk om uit nanovezels meerlaagse membranen te maken die biocompatibel zijn en in het menselijk lichaam kunnen worden ingeplant. "Als biopolymeren zoals polymelkzuren worden gebruikt in het spinproces, de membranen kunnen zelfs door het lichaam worden afgebroken, " legt Empa-onderzoeker Giuseppino Fortunato uit. bioactieve stoffen of medicijnen kunnen in de vezels worden opgenomen voor gecontroleerde en minimale afgifte.

Aantrekkelijke poriegrootte

Een van de uitdagingen tot nu toe was om de poriegrootte in het gesponnen membraan zo aantrekkelijk mogelijk te maken voor de gewenste lichaamscellen om te hechten. In de originele membranen, de polymeerdraden vormden slechts minuscule poriën van enkele micrometers. Met zijn 20 micrometer, echter, een weefselcel die de steiger moet koloniseren, is veel te groot om goed in het membraan te passen.

Nadat de onderzoekers de spinparameters hadden geoptimaliseerd, kon een polymeernetwerk met verrassende eigenschappen worden geproduceerd:wanneer het membraan werd blootgesteld aan zachte trekkrachten, het uitrekken met ongeveer 10 procent, in plaats van dunner te worden, nam het materiaal ongeveer 5 keer toe in volume en zelfs 10 keer in dikte. "Een auxetisch effect van deze omvang is bijna een wereldrecord, ", zegt Alexander Ehret van Empa's Experimental Continuum Mechanics-lab. Ehret en zijn team hadden eerst het buitengewone effect voorspeld met behulp van mechanische modellering en het op de computer gesimuleerd voordat ze membraanmonsters experimenteel analyseerden. "We hebben de simulaties verschillende keren op de computer uitgevoerd omdat de resultaten zo verbazingwekkend, " zegt Ehret. Het auxetische effect, die wiskundig kan worden gekwantificeerd door de verhouding van transversale tot longitudinale spanning - de Poisson-verhouding -, wordt gekenmerkt door negatieve waarden voor de Poisson-ratio. "Tot dusver, waarden rond de -20 zijn bereikt. Onze resultaten waren ruim onder -100, ', zegt de biomechanica-expert.

En ja hoor:in de trekproeven, de polymeermembranen gedroegen zich zoals gesimuleerd op de computer. Het effect is te verklaren door vezels die zich onder spanning weer uitlijnen en daarmee druk uitoefenen op hun dwarse collega's in het netwerk. Afhankelijk van hun lengte en dikte, de vezels onder druk worden gedwongen omhoog of omlaag te buigen en leiden zo tot een toename van het volume.

Uitbreiden op aanvraag

In principe, elektrogesponnen membranen zijn geschikt voor de behandeling van wonden en weefselschade op uiteenlopende locaties als op de huid, in bloedvaten en in inwendige organen of zelfs bij botletsels. Door een geschikte selectie van polymeren en geoptimaliseerde spinparameters kan het polymeermembraan worden aangepast aan de eigenschappen van het doelweefsel. "Dankzij het grotere volume veroorzaakt door het auxetische effect, de matrixstructuren zijn nu nog aantrekkelijker voor de lichaamscellen en kunnen het genezingsproces vergemakkelijken, ", zegt Giuseppino Fortunato.

Naast het gebruik in de biogeneeskunde, het concept, waarvoor al patent is aangevraagd, kan ook op tal van andere gebieden worden toegepast. Volgens de onderzoekers is membranen die kunnen worden geactiveerd door stress om ingesloten deeltjes vrij te maken, verstelbare filters of vulmateriaal dat pas op het punt van gebruik uitzet tot het uiteindelijke volume, d.w.z. quasi "uitbreiden op aanvraag, " zijn mogelijke toekomstige toepassingen.

De structuur van nanovezels

De interne structuur van individuele nanovezels heeft een grote invloed op de eigenschappen van de membranen. Als nanovezels worden behandeld met bepaalde oplosmiddelen, de structuur van de nanovezels kan worden opgehelderd. Empa-onderzoeker Alexandre Morel heeft nu ontdekt dat het variëren van de spinparameters resulteert in verschillende vezelstructuren, zoals fibrillaire of shish kebab-fasen. In de elektronenmicroscoop verschijnen shish kebab-structuren als gestapelde lagen die lijken op een kebabspit. Ze hebben een grote invloed op de mechanische eigenschappen van de membranen en dus ook op de auxetische werking.