Onderzoekers van de TU Wien hebben een nieuwe methode ontwikkeld die geschikt is voor het mechanisch testen van micro- en nanovezels. Het bijzondere:Monsters kunnen omkeerbaar aan en ontkoppeld worden van de krachtsensor.

Het experimenteel testen van de stijfheid of treksterkte van vezels in het nano- tot microbereik is vaak erg tijdrovend. De monsters moeten in de meeste gevallen aan beide uiteinden met lijm worden vastgemaakt. Het uitharden van de lijm kost tijd en de sensor waarop de vezel is gelijmd kan niet opnieuw worden gebruikt.

Onderzoekers van de TU Wien, Mathis Nalbach, Philipp Thurner en Georg Schitter, hebben een testsysteem ontwikkeld dat deze obstakels overwint. Het werkingsprincipe is als volgt:Een magnetische microbol die aan de nanovezel is bevestigd, kan worden opgepakt met een magnetische pincet. Hierdoor kan de bol in de vork worden gestoken die aan een krachtsensor is bevestigd en daardoor aan de sensor wordt gekoppeld. Omdat de magnetische bol ook met de magnetische pincet van de vork kan worden verwijderd, kan direct een andere nanovezel worden opgepakt. Dit verhoogt de monsterdoorvoer aanzienlijk. De onderzoekers presenteerden onlangs de NanoTens-trektester in het tijdschrift Review of Scientific Instruments .

Aangepast aan de echte omstandigheden

Terwijl de atomic force microscoop kan worden gebruikt om de mechanische eigenschappen van een vezel te onderzoeken door middel van een nano-penetratietest, maakt de NanoTens het mogelijk materiaal te testen op vezels onder de meer relevante trekbelasting. Philipp Thurner van de onderzoeksafdeling Biomechanica legt het werkingsprincipe als volgt uit:"Je kunt je het apparaat voorstellen als een microscopisch kleine vorkheftruck. De magnetische bal, die aan de vezel is gelijmd, wordt in de vork gestoken. Door de vork omhoog of omlaag te bewegen, de vezel kan nu onder trekbelasting worden getest. Dit type belasting is met name relevant voor biologische vezels zoals collageenfibrillen. Fysiologisch worden deze voornamelijk onder spanning belast en daarom zijn hun mechanische eigenschappen juist onder deze belasting bijzonder relevant. P>

De biomechanici Nalbach en Thurner onderzoeken vooral natuurlijke vezels zoals collageen. Omdat hun mechanische eigenschappen sterk afhankelijk zijn van externe omstandigheden, is het belangrijk om hiermee ook rekening te houden bij trekproeven. “Daar slagen we in omdat met de NanoTens trekproeven in verschillende media kunnen worden uitgevoerd. Een droge collageenvezel is bijvoorbeeld veel brozer en stijver dan een vochtige of volledig gehydrateerde. uit", zegt Mathis Nalbach, eerste auteur van de studie.

Kwaliteits- en kwantiteitstoename

Met hun methode slagen de onderzoekers er niet alleen in om fysiologische omstandigheden te simuleren, maar winnen ook de resultaten die met NanoTens worden gegenereerd aan validiteit. Dit komt omdat er een groot aantal metingen nodig zijn om zinvolle resultaten te verkrijgen op biologische materialen zoals collageenfibrillen. "Conventionele methoden stellen ons in staat om slechts één of twee monsters per week te onderzoeken. Dit maakt het vrijwel onmogelijk om statistisch zinvolle onderzoeken uit te voeren", beschrijft Nalbach. Philipp Thurner vult aan:"Met de nieuwe methode kunnen de vezels snel worden aan- en losgekoppeld. Hierdoor - en omdat de sensor wordt hergebruikt - kunnen we niet alleen het aantal trekproeven verhogen tot wel 50 metingen per week, maar ook de precisie van de meting."

De trekproeven kunnen - afhankelijk van de keuze - over een breed krachtbereik worden uitgevoerd en via een besturingssysteem worden gemanipuleerd. Dit is belangrijk omdat bij trekproeven gewoonlijk wordt aangenomen dat het materiaal lineair-elastische eigenschappen heeft. Dit is echter niet het geval bij biologische weefsels, zoals collageenfibrillen:ze zijn visco-elastisch. Krachtgestuurde trekproeven maken het onderzoek van deze visco-elasticiteit mogelijk.

Van de uitvinding tot het product

NanoTens is al internationaal gepatenteerd door de TU Wien. "De volgende stap zou zijn om de krachten te bundelen met industriële partners. We hopen een licentienemer te vinden met behulp van de onderzoeks- en overdrachtsondersteuning. We zijn geïnteresseerd in samenwerking met de industrie over dit onderwerp", zegt Mathis Nalbach. NanoTens is zo ontworpen dat het in het algemeen kan worden geïntegreerd in elk inkepingsmeetapparaat of atomaire krachtmicroscoop. Naast materiaalkunde worden trekproeven onder andere ook toegepast in de life sciences, halfgeleidertechnologie en elektronica. + Verder verkennen

Numerieke simulaties van trekproeven van rode bloedcellen