Textile Design of an Intervertebral Disc Replacement Device from Silk Yarn

Low back pain is often due to degeneration of the intervertebral discs (IVD). It is one of the most common age- and work-related problems in today’s society. Current treatments are not able to efficiently restore the full function of the IVD. Therefore, the aim of the present work was to reconstruct the two parts of the intervertebral disc—the annulus fibrosus (AF) and the nucleus pulposus (NP)—in such a way that the natural structural features were mimicked by a textile design. Silk was selected as the biomaterial for realization of a textile IVD because of its cytocompatibility, biodegradability, high strength, stiffness, and toughness, both in tension and compression. Therefore, an embroidered structure made of silk yarn was developed that reproduces the alternating fiber structure of +30° and −30° fiber orientation found in the AF and mimics its lamellar structure. The developed embroidered ribbons showed a tensile strength that corresponded to that of the natural AF. Fiber additive manufacturing with 1 mm silk staple fibers was used to replicate the fiber network of the NP and generate an open porous textile 3D structure that may serve as a reinforcement structure for the gel-like NP

Factors affecting the mechanical and geometrical properties of electrostatically flocked pure chitosan fiber scaffolds

The field of articular cartilage tissue engineering has developed rapidly, and chitosan has become a promising material for scaffold fabrication. For this paper, wet-spun biocompatible chitosan filament yarns were converted into short flock fibers and subsequently electrostatically flocked onto a chitosan substrate, resulting in a pure, highly open, porous, and biodegradable chitosan scaffold. Analyzing the wet-spinning of chitosan revealed its advantages and disadvantages with respect to the fabrication of the fiber-based chitosan scaffolds. The scaffolds were prepared using varying processing parameters and were analyzed in regards to their geometrical and mechanical properties. It was found that the pore sizes were adjustable between 65 and 310 µm, and the compressive strength was in the range 13–57 kPa

Charakterisierung, Modellierung und Optimierung der Barriereeigenschaften von OP-Textilien

Durch die systematischen und umfangreichen experimentellen Untersuchungen werden in dieser Arbeit erstmalig die Einflüsse der textiltechnologischen Parameter des Garn- und Gewebebildungsprozesses auf die Porenstruktur und die davon abhängige Barrierewirkung von marktrelevanten OP-Geweben grundlegend analysiert. Daraus resultiert der Schwerpunkt der Arbeit – die Erarbeitung von Modellen – mit denen die Zusammenhänge zwischen strukturbedingten Einflussgrößen von Geweben und deren Barrierewirkung gegenüber kontaminierten Flüssigkeiten charakterisiert werden kann. Aufgrund des maßgeblichen Einflusses der Mikrostruktur auf das makroskopische Materialverhalten wird ein hierarchisches Strukturmodell eingeführt, welches zwischen der Makro-, Meso- und Mikroebene unterscheidet. Diese Strukturebenen erfassen die Gewebestruktur in unterschiedlichen Modellierungsniveaus. Die Systematisierungskriterien Garnfeinheit, Gewebebindung und Fadendichte beschreiben die Mesoebene. Die Filamentfeinheit und der Filamentquerschnitt sind wesentliche Kenngröße der Mikroebene. Das anhand des Darcy-Gesetzes entwickelte Modell für die Beschreibung der Mesoebene ist anschaulicher und beinhaltet den Einfluss der Bindung und der Formänderungen der Filamentgarne bei der Gewebeherstellung. Bei der Analyse der Porenstruktur werden mit Hilfe der optischen Methode – Bildanalyse – systematische Untersuchungen an der Morphologie des Gewebes durchgeführt, die bisher noch nicht realisierbar waren. Hier besteht die Möglichkeit, in das Gewebeinnere „hineinzusehen“ und sich nicht nur auf die funktionalen Parameter zu beschränken. Um die Transportmechanismen von Mikroorganismen unter praxisrelevanten Bedingungen zu simulieren, wird ein Verfahren entwickelt. Die Entwicklung erstreckt sich auf die Simulation des Drucks und der Reibung sowie die Simulation der im OP-Saal vorhandenen Flüssigkeiten mit synthetischem Blut und mit Mikrokugeln kontaminiertem Wasser. Das Verfahren ergänzt die optischen Untersuchungen und trägt zur Interpretation bei. Die qualitativen mikroskopischen Untersuchungen durch die Betrachtung der Gewebeoberfläche und -querschnitte unterstützen die Lokalisierung der Partikel im und auf dem Gewebe. Sie liefern interessante Aussagen und Informationen über die Durchgangsmechanismen von partikelbeladenen Flüssigkeiten durch das Gewebe. Der experimentelle Teil befasst sich mit der kritischen Auswahl und Charakterisierung repräsentativer OP-Textilien. Die wissenschaftlichen Fragestellungen werden an 6 repräsentativen PES-Filamentgeweben von 23 marktrelevanten PES-Filamentgeweben für OP-Textilien untersucht und beantwortet. Diese werden hinsichtlich des Einflusses der textiltechnologischen Parameter – Filamentfeinheit, -querschnitt, und Filamentgarnfeinheit sowie der webtechnischen Parameter – auf die strukturbedingte Barrierewirkung anhand der entwickelten Modelle und des Penetrationsversuches evaluiert. Auf diesen Ergebnissen aufbauend werden die Ansätze für die Optimierung der Gewebestruktur hinsichtlich der Barrierewirkung erstellt. Durch die Kombination von feinen Garnen mit hoher Fadendichte unter Ausnutzung von technologischen Möglichkeiten werden Mustergewebe aus PES-Mikrofilamentgarnen mit hoher Barrierewirkung hergestellt. Die experimentelle Untersuchung der am Institut für Textil- und Bekleidungstechnik entwickelten Mustergewebe und die theoretischen Modellrechnungen bestätigen das vorhandene textiltechnische Potenzial zur Optimierung von Mikrofilamentgeweben, d. h., einer weiteren Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber partikelbeladenen Flüssigkeiten. Die Porenweiten in der Mesoebene können wirkungsvoll durch den Einsatz von feinen Filamentgarnen und das Erreichen der hohen Fadendichten in beiden Fadensystemen um die 50 % reduziert werden. Im Vergleich zu marktrelevanten OP-Geweben weisen die Mustergewebe eine erheblich hohe Barrierewirkung gegenüber synthetischem Blut und mit Mikrokugeln kontaminiertem Wasser auf. Diese Arbeit zur grundlegenden Analyse der strukturbedingten Barriereeigenschaften bietet Grundlagen für künftig notwendige Entscheidungen in der Produktentwicklung, Produktion, Produktnormung sowie Produktevaluierung. Sie kann in unterschiedliche Richtung fortgesetzt werden und die Optimierung flüssigkeits- und partikeldichter Gewebe im Gesundheitswesen, Reinraumtechnik im Speziellen oder von Schutztextilien im Allgemeinen, aber auch die Konkretisierung und Übertragung der Modellansätze betreffen

Thermoresponsive Shape Memory Fibers for Compression Garments

Their highly deformable properties make shape memory polymers (SMP) a promising component for the development of new compression garments. The shape memory effect (SME) can be observed when two polymers are combined. In here, polycaprolactone (PCL) and thermoplastic polyurethane (TPU) were melt spun in different arrangement types (blend, core-sheath, and island-in-sea), whereas the best SME was observed for the blend type. In order to trigger the SME, this yarn was stimulated at a temperature of 50 °C. It showed a strain fixation of 62%, a strain recovery of 99%, and a recovery stress of 2.7 MPa

Problems in calculating gas-make in the operating panels in view of geomechanical and gas-dynamic processes, and method to resolve them

Актуальность работы вызвана сложностью прогнозирования газодинамических процессов и их влияния на газовыделение в выемочный участок при отработке газоносных угольных месторождений, а также необходимостью использования горношахтного оборудования в соответствии с заявленной производительностью, исключая простои оборудования по газовому фактору в процессе добычи угля. Цель работы: изучение процесса сдвижения углепородной толщи пологого падения, формирование газодинамических явлений и выявление проблемных вопросов расчёта газовыделения при отработке угольных месторождений с целью обеспечения безопасности добычи угля и метана в промышленных масштабах. Авторы изучили геомеханические и газодинамические процессы, возникающие во время ведения горных работ при отработке газоносных угольных месторождений. Рассмотрены проблемные вопросы расчёта газовыделения в выемочный участок. Предложены методы снижения природной газоносности к моменту начала ведения горных работ, в части комплексного подхода к схеме размещения геологоразведочных скважин на стадии составления проекта разведочных работ, и использование данных скважин для различных видов дегазации угольных пластов и добычи метана в промышленных масштабах. Выполнение предложенных методов позволит исключить возможность внезапного загазирования горных выработок и обеспечит безопасность ведения горных работ на угольных шахтах. Результаты. Заблаговременная дегазация рабочих пластов и пластов спутников с помощью геологоразведочных скважин до начала отработки месторождения подземным способом позволит существенно снизить газовыделение в подготовительный забой и выемочный участок, обеспечивая безопасную добычу газа и угля. Использование геологоразведочных скважин в качестве дегазационных снижает затраты на проведение мероприятий по снижению природной газоносности, а также позволяет вести самостоятельную добычу метана в промышленных масштабах.The relevance of the research is caused by the complexity in predicting gas-dynamic processes and their influence on gas-make in the operating panels when mining gas bearing coal deposits; as well as the need to utilise mining equipment in accordance with its specified capability, except the equipment downtime due to the gas factor at coal mining. The aim of the research is to study the extraction of in-situ coal mass in small dip angles; to form gas-dynamic events and to identify the problems in calculating gas-make when mining coal deposits in order to ensure safety standards at coal and methane production on industrial scale. The authors have studied geomechanical and gasodynamic processes which occur while mining at development of gas-bearing coal fields. The paper considers the problem issues of calculating gas release into an extraction district. The paper introduces the methods for decreasing natural gas content by the mining start relating to a complex approach to the scheme of exploration wells distribution at the stage of exploration works planning. The authors proposed to use these wells for different kinds of coal bed degasification and methane production in industrial scale. Application of the methods allows excluding the possibility of unexpected massive gas-make in mining heading and ensures safety regulations for mining in coal mines. Results. Pre-production gas drainage of working and adjacent seams using exploratory boreholes prior to commencing mining of the deposit via underground method, will significantly reduce gas-make into development headings and production area, ensuring safe coal mining and gas extraction. Use of exploratory boreholes for gas drainage reduces the costs of implementing measures to reduce the natural gas content; it allows automated methane extraction on industrial scale