Vědci vyvinuli „mikroroboty“, které vytvářejí vlastní kost

Tým výzkumníků z univerzit ve švédském Linköpingu a japonském Okayamě vyvinul kombinaci materiálů, které mohou měnit tvar a tvrdnout. Tým byl inspirován růstem kostí v kosterním systému.

Unikátní materiál začíná jako měkký, než tvrdne prostřednictvím procesu tvorby kostí, který využívá stejné materiály, jako jsou ty, které se nacházejí v kosterním systému.

Edwin Jager je docentem na katedře fyziky, chemie a biologie (IFM) na Univerzitě v Linköpingu.

„Chceme tento materiál použít pro aplikace, kde materiály potřebují mít různé vlastnosti v různých bodech času. Nejprve je materiál měkký a pružný, a poté se zablokuje, když tvrdne. Tento materiál by mohl být použit například u komplikovaných zlomenin kostí. Může být také použit v mikrorobotích – tyto měkké mikroroboty by mohly být injekčně aplikovány do těla tenkou injekční stříkačkou, a poté by se rozvinuly a vytvořily své vlastní tuhé kosti,” říká Jager.

Objev unikátní biomolekuly

Tým přišel s touto myšlenkou během výzkumné návštěvy v Japonsku, kde Jager potkal Hiroshiho Kamioku a Emilia Haru, kteří se zabývají výzkumem kostí. Vědci objevili typ biomolekuly, která by mohla stimulovat růst kostí v krátkém časovém období, a divili se, zda by mohla být kombinována s materiálovým výzkumem pro vývoj nových materiálů.

Studie byla zveřejněna v Advanced Materials.

Ve studii tým vytvořil jednoduchého „mikrorobota“, který může měnit tvar a měnit tuhost. Vědci využili alginát, který je gelovitý materiál, kde je polymerický materiál pěstován na jedné straně. Alginát je také elektroaktivní a mění svůj objem, když je aplikováno nízké napětí, a to způsobuje, že mikrorobot se ohýbá v určitém směru.

Vědci poté připojili biomolekuly na druhou stranu gelu. Biomolekuly umožňují měkkému gelovému materiálu tvrdnout, a jsou extrahovány z buněčné membrány certainého typu buněk, které jsou důležité pro vývoj kostí. Materiál může být poté ponořen do buněčné kultury, která je prostředím, které obsahuje vápník a fosfor a připomíná tělo. Jakmile je ponořen, biomolekuly způsobují, že gel mineralizuje a tvrdne.

Potenciální aplikace

Existuje mnoho potenciálních aplikací pro tento nový materiál, jako je například hojení kostí. Když je materiál ve své měkké formě, může se pohybovat do prostorů v komplikovaných zlomeninách kostí, než se rozvine. Po tuhnutí by vytvořil základ pro stavbu nové kosti.

Vědci nasadili materiál ve své studii, když ho zabalili kolem kuřecích kostí. Umělé kosti se poté vyvinuly a spojily se s kuřecími kostmi.

Vědci mohou také určit, jak mikrorobot ohýbá, vytvořením vzorů v gelu. Například, pokud vytvoří kolmé čáry na povrchu materiálu, mikrorobot se ohýbá v polooválu. Pokud vytvoří diagonální čáry, ohýbá se jako šroubovice.

“Regulací, jak materiál otočí, můžeme mikrorobot pohybovat různými způsoby, a také ovlivnit, jak materiál rozvine v zlomených kostech. Tyto pohyby můžeme vložit do struktury materiálu, což činí komplexní programy pro řízení těchto robotů zbytečnými,” říká Jager.

Vědci nyní budou dále zkoumat vlastnosti materiálů a to, jak fungují ve spojení s živými buňkami. To by mohlo poskytnout hlubší vhled do biokompatibility materiálů.