辅助膜：矛盾的药物替代组织

 
用于膨胀膜的嫩纤维：Empa研究人员Alexandre Morel用聚合物溶液加载电纺纱机。图片来源：瑞士联邦材料科学与技术实验室一种材料，当您拉动它时会变稠，这似乎与物理定律相矛盾。然而，自然界中也发生的所谓的膨胀效应对于许多应用是令人感兴趣的。 Empa最近在《自然通讯》上发表的一项新研究表明，如何改善这种惊人的行为，甚至可以用来治疗伤害和组织损伤。
大自然向我们展示了如何做到这一点：从母母牛的乳房中吮吸小牛会利用乳头的引人入胜的物理特性，该乳头由发胀的组织组成。矛盾的是，这些组织在张力下不会变窄，例如橡皮筋，而是在横向于拉动方向变宽。因此，牛奶可以不受阻碍地流过乳头。 Empa的科学家现在已经证明了专门为此目的开发的纳米纤维膜的惊人的膨胀特性。发表在《自然通讯》上的这项研究指出了流产材料的广泛应用，包括使用流产膜在受伤后再生人体组织。
皮肤损伤或组织对内部器官的损害可通过迁移并沉降并形成健康的替代组织的细胞来治愈。例如，指尖上的小切口可能会超出人体的承受能力，例如，当发生复杂的伤口(例如烧伤)或需要更广泛的组织再生时，通常无需做任何事。
但是，可以促进组织再生：如果提供合适的支架，所需的细胞将更容易沉降并沿着预定的结构生长。位于圣加仑的仿生膜和纺织品实验室的Empa研究人员现在已经开发出具有促发特性的新型基质系统。通过静电纺丝，将溶解的聚合物纺丝成细薄的细丝，其形式类似于人的细胞外基质。这使得可以由具有生物相容性并且可以植入人体的纳米纤维生产多层膜。 Empa研究人员Giuseppino Fortunato解释说：“如果在纺丝过程中使用生物聚合物，例如聚乳酸，则膜甚至可能被人体降解。”另外，可以将生物活性物质或药物掺入纤维中以控制和最小化释放。
迄今为止的挑战之一是使纺丝膜中的孔径对所希望的体细胞粘附尽可能地有吸引力。在原始膜中，聚合物线仅形成了几微米的小孔。然而，以其20微米的尺寸，要在支架上定殖的组织细胞太大，无法紧密地贴在膜上。
在研究人员优化了纺丝参数后，可以产生具有令人惊讶性能的聚合物网络：当膜受到轻微的拉伸力时，将其拉伸约10%，而不是变薄，材料的体积增加了约5倍，甚至厚度的10倍。 Empa实验连续体力学实验室的亚历山大·埃雷特(Alexander Ehret)兴奋地说：“如此大的促发作用几乎是世界纪录。” Ehret和他的团队首先使用机械建模预测了非凡的效果，然后在计算机上对它进行了模拟，然后通过实验分析了膜样品。 Ehret说：“由于结果如此惊人，我们在计算机上多次运行了仿真。”可以通过横向应变与纵向应变之比(泊松比)以数学方式量化的拉力效应，其特征在于泊松比为负值。生物力学专家说：“到目前为止，已经达到-20左右的值。我们的结果远低于-100。”
可以肯定的是：在拉伸试验中，聚合物膜的行为就像在计算机上模拟的那样。可以通过在张力下重新排列自己的纤维，从而对网络中的横向同事施加压力来解释这种效果。根据其长度和厚度，在压力下纤维被迫向上或向下弯曲，从而导致体积增加。
按需扩展
基本上，电纺膜适用于在皮肤，血管，内脏甚至骨骼损伤等各种部位治疗伤口和组织损伤。适当选择聚合物和优化纺丝参数可使聚合物膜适应靶组织的特性。朱塞佩诺·福图纳托说：“由于肿胀效应引起的体积增大，现在的基质结构对人体细胞更具吸引力，并且可以促进愈合过程。”
除了已在生物医学中使用之外，该概念(已申请专利)也可以应用于许多其他领域。研究人员认为，可以通过应力激活的膜可以释放出封闭的颗粒，可调节的过滤器或填充材料，这些膜只会在使用时膨胀到最终体积，即准“按需扩展”，这是潜在的未来应用。
在电子显微镜下，纤维表现为烤肉串结构。它们影响膜的机械性能和膨胀效应。 (彩色图像)。图片来源：瑞士联邦材料科学与技术实验室纳米纤维的结构
单个纳米纤维的内部结构对膜的性能有重大影响。如果用某些溶剂处理纳米纤维，则可以阐明纳米纤维的结构。 Empa研究人员Alexandre Morel现在发现，改变纺丝参数会导致不同的纤维结构，例如原纤维相或烤肉串相。在电子显微镜中，烤肉串结构呈堆叠状，类似于烤肉串。它们对膜的机械性能有很大的影响，因此对膨胀效应也有很大的影响。