La produzione verde sta diventando un processo sempre più critico in tutti i settori, spinta da una crescente consapevolezza degli impatti negativi sull'ambiente e sulla salute associati alle pratiche tradizionali. Nel settore dei biomateriali, l'elettrofilatura è un metodo di fabbricazione universale utilizzato in tutto il mondo per produrre reti fibrose da nano a microscala che assomigliano molto all'architettura dei tessuti nativi. Il processo, però, ha tradizionalmente utilizzato solventi che non solo sono pericolosi per l'ambiente, ma rappresentano anche una barriera significativa all'espansione industriale, traduzione clinica, e, in definitiva, uso diffuso.

I ricercatori della Columbia Engineering riferiscono di aver sviluppato un processo di "elettrofilatura verde" che affronta molte delle sfide per aumentare questo metodo di fabbricazione, dalla gestione dei rischi ambientali dello stoccaggio e dello smaltimento di solventi volatili in grandi volumi al rispetto degli standard di salute e sicurezza durante la fabbricazione e l'implementazione. Il nuovo studio del team, pubblicato il 28 giugno 2021, di Biofabbricazione , dettaglia come hanno modernizzato la fabbricazione di nanofibre di polimeri biologici e sintetici ampiamente utilizzati (ad esempio poli-α-idrossiesteri, collagene), miscele di polimeri, e compositi polimero-ceramica.

Lo studio sottolinea anche la superiorità della produzione verde. Le fibre "verdi" del gruppo hanno mostrato proprietà meccaniche eccezionali e preservato la bioattività del fattore di crescita rispetto alle controparti delle fibre tradizionali, che è essenziale per la somministrazione di farmaci e le applicazioni di ingegneria dei tessuti.

La medicina rigenerativa è un'industria globale da 156 miliardi di dollari, uno che sta crescendo esponenzialmente. Il team di ricercatori, guidato da Helen H. Lu, Percy K. e Vida L.W. Hudson Professore di Ingegneria Biomedica, voleva affrontare la sfida di stabilire pratiche di produzione verde scalabili per biomateriali biomimetici e scaffold utilizzati nella medicina rigenerativa.

"Pensiamo che questo sia un cambiamento di paradigma nella biofabbricazione, e accelererà la traduzione di biomateriali scalabili e scaffold biomimetici per l'ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa, " disse Lu, leader nella ricerca sulle interfacce tissutali, in particolare la progettazione di biomateriali e strategie terapeutiche per ricreare la naturale sincronia del corpo tra i tessuti. "L'elettrofilatura verde non solo preserva la composizione, chimica, architettura, e biocompatibilità delle fibre tradizionalmente elettrofilate, ma ne migliora anche le proprietà meccaniche raddoppiando la duttilità delle fibre tradizionali senza compromettere la resa o il carico di rottura. Il nostro lavoro fornisce una soluzione più biocompatibile e sostenibile per la fabbricazione scalabile di nanomateriali".

Il gruppo, che comprendeva diversi dottorandi BME del gruppo di Lu, Christopher Mosher Ph.D.'20 e Philip Brudnicki, così come Theanne Schiros, un esperto di sintesi tessile eco-consapevole che è anche ricercatore scientifico presso la Columbia MRSEC e assistente professore presso FIT, principi di sostenibilità applicati alla produzione di biomateriali, e ha sviluppato un processo di elettrofilatura verde testando sistematicamente quelli che la FDA considera solventi biologicamente benigni (Q3C Classe 3).

Hanno identificato l'acido acetico come un solvente verde che presenta un basso impatto ecologico (Sustainable Minds Life Cycle Assessment) e supporta un getto di elettrofilatura stabile in condizioni di fabbricazione di routine. Regolando i parametri di elettrofilatura, come la distanza tra la placca ago e la portata, i ricercatori sono stati in grado di migliorare la fabbricazione della ricerca e dei polimeri biomedici standard del settore, riducendo da tre a sei volte gli effetti dannosi sulla produzione del processo di elettrofilatura.

I materiali elettrofilati verdi possono essere utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni. Il team di Lu sta attualmente lavorando per innovare ulteriormente questi materiali per applicazioni ortopediche e dentistiche, e ampliando questo processo di fabbricazione eco-consapevole per la produzione scalabile di materiali rigenerativi.

"La biofabbricazione è stata definita la 'quarta rivoluzione industriale' dopo i motori a vapore, energia elettrica, e l'era digitale per l'automazione della produzione di massa, " ha osservato Mosher, primo autore dello studio. "Questo lavoro è un passo importante verso lo sviluppo di pratiche sostenibili nella prossima generazione di produzione di biomateriali, che è diventato fondamentale in mezzo alla crisi climatica globale".