Un material que se espesa al tirar de él parece contradecir las leyes de la física. Sin embargo, el llamado efecto auxético, que también ocurre en la naturaleza, es interesante para varias aplicaciones. Un nuevo estudio de Empa publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza muestra cómo se puede mejorar este comportamiento asombroso, e incluso se puede utilizar para tratar lesiones y daños en los tejidos.

La naturaleza nos muestra cómo hacerlo:un ternero que succiona la leche de la ubre de una vaca madre utiliza una propiedad física fascinante del pezón, que consta de un tejido auxético. Paradójicamente, tales tejidos no se vuelven más estrechos bajo tensión, como una goma elástica, pero más ancho, transversal a la dirección de tracción. Por lo tanto, la leche de vaca puede fluir sin obstáculos a través del pezón. Los científicos de Empa ahora han demostrado las asombrosas propiedades auxéticas de las membranas de nanofibras desarrolladas específicamente para este propósito. El estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza apunta a una amplia gama de aplicaciones para materiales auxéticos, incluido el uso de membranas auxéticas para regenerar tejido humano después de lesiones.

Las lesiones cutáneas o el daño tisular de los órganos internos se curan mediante, entre otras cosas, células migratorias que se asientan y forman un tejido de reemplazo saludable. Lo que generalmente se hace sin más preámbulos en el caso de, decir, una pequeña incisión en la yema del dedo puede exceder las posibilidades del cuerpo humano, por ejemplo, cuando ocurren heridas complejas, como quemaduras, o cuando se requiera una regeneración tisular más generalizada.

Sin embargo, se puede facilitar la regeneración de tejidos:si se proporciona un andamio adecuado, las células deseadas se asientan más fácilmente y crecen a lo largo de la estructura predefinida. Los investigadores de Empa en el laboratorio de Membranas Biomiméticas y Textiles en St. Gallen han desarrollado nuevos sistemas de matriz con propiedades auxéticas. Por electrohilado, los polímeros disueltos se hilan como filamentos delgados como una oblea en una forma similar a la matriz extracelular humana. Esto hace posible producir membranas multicapa a partir de nanofibras que son biocompatibles y pueden implantarse en el cuerpo humano. "Si se utilizan biopolímeros como los ácidos polilácticos en el proceso de hilado, las membranas incluso pueden ser degradadas por el cuerpo, "explica el investigador de Empa, Giuseppino Fortunato. Además, Se pueden incorporar sustancias bioactivas o fármacos a las fibras para una liberación controlada y minimizada.

Tamaño de poro atractivo

Uno de los desafíos hasta ahora ha sido hacer que el tamaño de los poros en la membrana hilada sea lo más atractivo posible para que se adhieran las células corporales deseadas. En las membranas originales, los hilos de polímero solo formaron poros minúsculos de unos pocos micrómetros. Con sus 20 micrómetros, sin embargo, una célula de tejido que colonizará el andamio es demasiado grande para encajar perfectamente en la membrana.

Después de que los investigadores hubieran optimizado los parámetros de hilado, se pudo producir una red de polímeros con propiedades sorprendentes:cuando la membrana se expuso a fuerzas de tracción suaves, estirándolo en aproximadamente un 10 por ciento, en lugar de volverse más delgado, el material aumentó aproximadamente 5 veces en volumen e incluso 10 veces en grosor. "Un efecto auxético de esta magnitud es casi un récord mundial, ", dice entusiasmado Alexander Ehret del laboratorio Experimental Continuum Mechanics de Empa. Ehret y su equipo habían predicho primero el efecto extraordinario utilizando modelos mecánicos y lo habían simulado en la computadora antes de analizar muestras de membrana de manera experimental". Ejecutamos las simulaciones en la computadora varias veces porque los resultados fueron tan asombroso, "dice Ehret. El efecto auxético, que se puede cuantificar matemáticamente por la relación de deformación transversal a longitudinal (la relación de Poisson), se caracteriza por valores negativos para la relación de Poisson. "Hasta aquí, Se han alcanzado valores en torno a -20. Nuestros resultados estuvieron muy por debajo de -100, "dice el experto en biomecánica.

Y efectivamente:en las pruebas de tracción, las membranas de polímero se comportaron como simuladas en la computadora. El efecto puede explicarse por las fibras que se realinean bajo tensión y, por lo tanto, ejercen presión sobre sus colegas transversales en la red. Dependiendo de su longitud y grosor, las fibras bajo presión se ven obligadas a doblarse hacia arriba o hacia abajo y, por lo tanto, dan lugar a un aumento de volumen.

Expandir bajo demanda

Básicamente, Las membranas electrohiladas son adecuadas para el tratamiento de heridas y daños tisulares en lugares tan diversos como la piel. en vasos sanguíneos y en órganos internos o incluso en lesiones óseas. Una selección apropiada de polímeros y parámetros de hilado optimizados permiten que la membrana de polímero se adapte a las propiedades del tejido objetivo. "Gracias al mayor volumen provocado por el efecto auxético, Las estructuras de la matriz son ahora aún más atractivas para las células del cuerpo y podrían facilitar el proceso de curación. "dice Giuseppino Fortunato.

Además de su uso en biomedicina, el concepto, que ya está pendiente de patente, también se puede aplicar en muchas otras áreas. Según los investigadores, membranas que pueden ser activadas por estrés para liberar partículas encerradas, filtros ajustables o material de relleno que solo se expande hasta su volumen final en el punto de uso, es decir, cuasi "expandir según demanda, "son posibles aplicaciones futuras.

La estructura de las nanofibras.

La estructura interna de las nanofibras individuales tiene una gran influencia en las propiedades de las membranas. Si las nanofibras se tratan con ciertos disolventes, se puede dilucidar la estructura de las nanofibras. El investigador de Empa, Alexandre Morel, ha descubierto ahora que la variación de los parámetros de hilado da como resultado diferentes estructuras de fibra, como las fases fibrilar o shish kebab. En el microscopio electrónico, las estructuras de shish kebab aparecen como capas apiladas que se asemejan a un asador de kebab. Tienen una gran influencia en las propiedades mecánicas de las membranas y, por tanto, también en el efecto auxético.