Природная формула плетения используется для производства материалов с улучшенным функционалом

Натуральные переплетения эластина и коллагена надкостницы очевидны при рассмотрении с использованием микроскопа. Эластин дает надкостнице эластичные свойства, а коллаген придает прочность. Мышцы организованы в связки волокон в виде круговых структур в малом диагональном сегменте объемного изображения ткани. Объем приблизительно равен 200 x 200 микрон (ширина и высота) x 25 микрон (в глубину).

Сначала биоинженеры Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) сплели «умную» ткань, которая имитирует сложные комплексные свойства оригинальных природных материалов, например костной ткани надкостницы.

Получив подтверждение своей теории, исследователи в настоящее время готовы производить тканевые прототипы группы материалов с улучшенными свойствами, которые могут изменить существующие знания в области медицины, транспорта и безопасности. Патенты на изобретения поданы в Австралии, США и Европе.

Потенциально возможное дальнейшее использование – от защитных костюмов для лыжников, водителей гоночных автомобилей и астронавтов, до «интеллектуальных» компрессионных бандажей глубоких тромбозных вен, которые отвечают на движения владельца и безопаснее радиальных шин.

Отчет об исследовании опубликован в Nature's Scientific Reports.

Много животных и растительных тканей обладают «умными» и адаптивными свойствами. Одним из таких материалов является надкостница - мягкий тканевой рукав, который покрывает большую часть поверхности тела. Комплексное применение коллагена, эластина и других структурных протеинов дает надкостнице удивительную упругость и обеспечивает костям дополнительную силу для противодействия большой нагрузке.

В настоящее время отсутствие у исследователей масштабируемых подходов «снизу вверх» ограничивает их способность использовать умную ткань для производства материалов с улучшенными свойствами.

Руководитель направления биоинженерии UNSW профессор Мелисса Кнот Тейт поставила задачу своим сотрудникам нанести на карту архитектуру комплексной ткани надкостницы, визуализировать ее на компьютере с использованием 3D моделирования, увеличить ключевые компоненты и произвести прототипы с использованием технологии ткацкого станка.

«В результате мы получим серию прототипов текстильных образцов, которые имитируют умные стрессоустойчивые свойства надкостницы. Мы также можем продемонстрировать применимость технологии для тестирования других волокон с целью производства широкого круга новых тканей», - говорит профессор Кнот Тейт.

С целью объяснения функциональной способности надкостницы команда использовала невероятно высокоточную систему отображения для исследования и отображения ее архитектуры.

«Затем мы протестировали выполнимость представления натуральной ткани надкостницы с помощью компьютерной программы», - говорит Кнот Тейт.

Компьютерное моделирование позволило исследователям масштабировать природные архитектурные образцы для сплетения разнонаправленных тканей, используя современный управляемый компьютером ткацкий станок.

«Проблема использования коллагена и эластина заключается в их волокнах, которые очень малы для использования в ткацком станке. Но мы используем эластичные материалы, которые имитируют эластин, и шелк, который имитирует коллаген», - говорит профессор Кнот Тейт.

В результате первого теста была соткана серия образцов текстильных прототипов, используя специфические комбинации коллагена и эластина в образце твила, разработанных для отображения плетения надкостницы. Механические тесты показали, что они демонстрируют такие же свойства, как и натуральные коллаген и эластин тканей надкостницы.

Биоинженер Джоанна Ng говорит, что технология имеет широкое применение для разработки материалов с улучшенными свойствами следующего поколения и текстильной продукции с механической функциональностью.

Пока производство биологических материалов с помощью ткацкого станка имеет потенциальное производственное применение (один производитель шин верит, что титановое плетение может порождать новое поколение более тонких, прочных и безопасных устройств), команда UNSW в конечном счете нацелена на придание машинам человеческого потенциала.

«Нашей конечной целью является плетение биологических тканей, по сути частей тела человека, в лаборатории и восстановление наших поврежденных суставов с помощью биологических, архитектурных и механических свойств надкостницы», - говорит мисс Ng.

Это исследование получило грант в ноябре 2016 года, который позволит команде исследователей перевести исследование в следующую фазу. Исследователи будут работать совместно с профессором Клиники в Кливленде и Университета Сиднея Тони Вейсом для разработки и продажи прототипов имплантов костей для доклинических исследований, использующих «умную» технологию, в течение трех лет.

Назад

Не менее интересно