Ауксетические мембраны: Парадоксальная замещающая ткань для медицины

Материал, который утолщается при растяжении, кажется противоречащим законам физики. Однако так называемый ауксетический эффект, встречающийся и в природе, интересен для ряда применений. Новое исследование Empa, опубликованное в Nature Communications, показывает, как можно улучшить это удивительное поведение — и даже использовать его для лечения травм и повреждений тканей.

Природа показывает пример: телёнок, сосущий молоко из вымени коровы, использует удивительное физическое свойство соска, состоящего из ауксетической ткани. Парадоксально, но такая ткань под напряжением не сужается, как резинка, а расширяется в поперечном направлении. Благодаря этому молоко может беспрепятственно течь через сосок. Учёные Empa продемонстрировали поразительные ауксетические свойства специально разработанных нановолоконных мембран. Исследование указывает на широкий спектр применений, включая использование таких мембран для регенерации человеческих тканей после травм.

Привлекательный размер пор

Исследователи из лаборатории биомиметических мембран и текстиля в Санкт-Галлене разработали новые матричные системы с ауксетическими свойствами. Методом электроспиннинга из растворённых полимеров формируются ультратонкие нити, похожие на человеческий внеклеточный матрикс. Это позволяет создавать многослойные биосовместимые мембраны из нановолокон, которые можно имплантировать в тело.

Одной из проблем до сих пор был размер пор в мембране, который должен быть привлекательным для адгезии целевых клеток. В исходных мембранах поры составляли всего несколько микрометров, что слишком мало для клеток тканей размером около 20 микрометров.

После оптимизации параметров спиннинга была получена полимерная сеть с удивительными свойствами: при растяжении мембраны примерно на 10% её объём увеличивался примерно в 5 раз, а толщина — в 10 раз. "Ауксетический эффект такой величины — почти мировой рекорд", — говорит Александр Эрет из лаборатории экспериментальной механики континуума Empa.

Эффект характеризуется отрицательным коэффициентом Пуассона (отношение поперечной деформации к продольной). "До сих пор достигались значения около -20. Наши результаты были значительно ниже -100", — отмечает эксперт.

Эффект объясняется переориентацией волокон при растяжении, что создаёт давление на соседние волокна в сети, заставляя их изгибаться и увеличивать объём.

Расширение по требованию

Электроспиннинговые мембраны подходят для лечения ран и повреждений тканей в различных местах: на коже, в кровеносных сосудах, внутренних органах и даже при травмах костей. Выбор полимеров и оптимизация параметров позволяют адаптировать мембрану к свойствам целевой ткани. "Благодаря увеличению объёма из-за ауксетического эффекта матричные структуры стали ещё более привлекательными для клеток организма и могут облегчить процесс заживления", — объясняет Джузеппино Фортунато.

Помимо биомедицины, концепция, на которую уже подана патентная заявка, может применяться и в других областях: мембраны, активируемые напряжением для высвобождения частиц, регулируемые фильтры или наполнители, которые расширяются до конечного объёма непосредственно в месте использования ("расширение по требованию").

Структура нановолокон

Внутренняя структура отдельных нановолокон сильно влияет на свойства мембран. Исследователь Empa Александр Морель обнаружил, что изменение параметров спиннинга приводит к разным структурам волокон, таким как фибриллярная или структура "шиш-кебаб" (stacked layers, напоминающие шашлык на вертеле). Эти структуры, видимые в электронном микроскопе, сильно влияют на механические свойства мембран и, следовательно, на ауксетический эффект.