Получив подтверждение концепции, исследователи теперь готовы производить прототипы тканей для ряда современных функциональных материалов, которые могут трансформировать секторы медицины, безопасности и транспорта. Патенты на нововведение находятся на рассмотрении в Австралии, США и Европе.Возможные варианты применения в будущем варьируются от защитных костюмов, которые становятся жесткими при сильных ударах для лыжников, водителей гоночных автомобилей и космонавтов, до «интеллектуальных» компрессионных повязок от тромбоза глубоких вен, которые реагируют на движения пользователя, и более безопасных радиальных шин со стальным ремнем.Исследование опубликовано в Nature’s Scientific Reports.
Многие ткани животных и растений обладают «умными» и адаптивными свойствами. Одним из таких материалов является надкостница, оболочка из мягких тканей, которая покрывает большинство костных поверхностей тела. Сложное расположение коллагена, эластина и других структурных белков придает надкостнице удивительную упругость и придает костям дополнительную прочность при высоких ударных нагрузках.
До сих пор отсутствие масштабируемых подходов исследователей «снизу вверх» ограничивало их способность использовать умные ткани для создания передовых функциональных материалов.Заведующий кафедрой биомедицинской инженерии Пола Трейнора UNSW, профессор Мелисса Кнотх Тейт, сказала, что ее команда впервые нанесла на карту сложные структуры тканей надкостницы, визуализировала их в 3D на компьютере, увеличила ключевые компоненты и создала прототипы с использованием технологии ткацкого станка. .«В результате получилась серия прототипов текстильных образцов, которые имитируют интеллектуальные свойства напряжения и деформации надкостницы.
Мы также продемонстрировали возможность использования этого метода для тестирования других волокон для производства целого ряда новых текстильных материалов», — сказал профессор Кнот Тейт.Чтобы понять функциональную способность надкостницы, команда использовала невероятно точную систему визуализации для исследования и картирования ее архитектуры.
«Затем мы проверили возможность визуализации естественных тканевых переплетений надкостницы с помощью компьютерного программного обеспечения», — сказал профессор Кнот Тейт.Компьютерное моделирование позволило исследователям масштабировать архитектурные узоры природы и ткать многомерные ткани, вдохновленные надкостницей, с использованием современного жаккардового ткацкого станка с компьютерным управлением.
Ткацкий станок известен как первоначальный элементарный компьютер, впервые представленный в 1801 году.«Проблема с использованием коллагена и эластина заключается в том, что их волокна слишком малы, чтобы поместиться в ткацком станке. Поэтому мы использовали эластичный материал, имитирующий эластин, и шелк, имитирующий коллаген», — сказал профессор Ноте Тейт.
В первом тесте увеличенной концепции тканевого плетения была соткана серия прототипов текстильных образцов с использованием определенных комбинаций коллагена и эластина в саржевом узоре, созданном для отражения плетения надкостницы. Механические испытания образцов показали, что они демонстрируют аналогичные свойства, обнаруженные в естественном коллагене надкостницы и эластиновом переплетении.Первый автор и кандидат наук в области биомедицинской инженерии Джоанна Нг сказала, что этот метод имеет важное значение для разработки передовых материалов следующего поколения и механически функциональных тканей.В то время как материалы, производимые жаккардовым ткацким станком, имеют потенциальное применение в производстве — один производитель шин считает, что титановое плетение может породить новое поколение более тонких, прочных и безопасных радиальных стальных лент — команда UNSW в конечном итоге сосредоточена на человеческом потенциале машины.
«Наша долгосрочная цель — соткать биологические ткани — в основном части человеческого тела — в лаборатории, чтобы заменить и восстановить наши поврежденные суставы, которые отражают биологию, архитектуру и механические свойства надкостницы», — сказала г-жа Нг.Грант NHMRC на разработку, полученный в ноябре, позволит команде перейти к следующему этапу исследования.
Исследователи будут работать с клиникой Кливленда и профессором Сиднейского университета Тони Вайсом для разработки и коммерциализации прототипов костных имплантатов для доклинических исследований с использованием «умной» технологии в течение трех лет.