Forskere udvikler “mikroroboter”, der kan skabe deres eget knogler

Et hold af forskere fra universiteterne i Linköping i Sverige og Okayama i Japan har udviklet en kombination af materialer, der kan forandre form og hårdne.

Det unikke materiale starter blødt og hårdner herefter gennem en knogleudviklingsproces, der bruger de samme materialer, der findes i skelettet.

Edwin Jager er lektor ved instituttet for fysik, kemi og biologi (IFM) på Linköpings universitet.

“Vi vil bruge dette til anvendelser, hvor materialer skal have forskellige egenskaber på forskellige tidspunkter. Først er materialet blødt og fleksibelt, og derefter låses det fast, når det hårdner. Dette materiale kan bruges i komplicerede knoglebrud. Det kan også bruges i mikroroboter – disse bløde mikroroboter kan injiceres i kroppen gennem en tynd sprøjte, og derefter vil de foldes ud og udvikle deres eget stive knogler,” siger Jager.

Opdagelse af unik biomolekyl

Holdet fik ideen under et forskningsbesøg i Japan, hvor Jager mødte Hiroshi Kamioka og Emilio Hara, der forsker i knogler. Forskerne opdagede en type biomolekyl, der kunne stimulere knoglevækst på kort tid, og de undrede sig over, om det kunne kombineres med materialsforskning for at udvikle nye materialer.

Studiet blev offentliggjort i Advanced Materials.

I studiet skabte holdet en simpel “mikrorobot”, der kan tage forskellige former og ændre stivhed. De afhængig af alginate, der er et gelmateriale, hvor et polymermateriale vokser på den ene side. Alginate er også elektroaktiv og ændrer sin volumen, når en lav spænding anvendes, og dette får mikrorobotten til at bøje i en bestemt retning.

Forskerne påmonterede herefter biomolekyler på den anden side af gellen. Biomolekylerne giver det bløde gelmateriale mulighed for at hårdne, og de udvindes fra cellemembranen af en type celle, der er afgørende for knogleudvikling. Materialet kan herefter blive dyppet i en celkulturmedium, der er en miljø, der indeholder calcium og fosfor og ligner kroppen. Når det er dyppet, får biomolekylerne gellen til at mineralisere og hårdne.

Potentiale anvendelser

Der er mange potentielle anvendelser for dette nye materiale, såsom knoglehelbredelse. Når det er i sin bløde form, kan materialet bevæge sig ind i rum i komplicerede knoglebrud, før det udvider sig. Efter hårdning vil det danne grundlaget for opbygning af nye knogler.

Forskerne anvendte materialet i deres studie, hvor de omslyngede det omkring kyllingeknogler. Den kunstige knogle blev herefter udviklet og voksede sammen med kyllingeknoglerne.

Forskerne kan også bestemme, hvordan mikrorobotten vil bøje, ved at lave mønstre i gellen. For eksempel, hvis de laver lodrette linjer på overfladen af materialet, vil mikrorobotten bøje i en halvcirkel. Hvis de laver diagonale linjer, vil den bøje som en proptrækker.

“Ved at kontrollere, hvordan materialet drejer, kan vi få mikrorobotten til at bevæge sig på forskellige måder, og også påvirke, hvordan materialet folder sig ud i brudte knogler. Vi kan indbygge disse bevægelser i materialets struktur, hvilket gør komplekse programmer for styring af disse robotter unødvendige,” siger Jager.

Forskerne vil nu dykke dybere ind i materialets egenskaber og hvordan de samarbejder med levende celler. Dette kan give dybere indsigt i materialets biokompatibilitet.