Forscher entwickeln “Mikroroboter”, die ihre eigenen Knochen bilden

Ein Team von Forschern an den Universitäten Linköping in Schweden und Okayama in Japan hat eine Kombination von Materialien entwickelt, die sich in Formen verändern und härten können. Das Team ließ sich von dem Wachstum von Knochen im Skelett inspirieren.

Das einzigartige Material ist anfangs weich, bevor es durch einen Knochenentwicklungsprozess, der die gleichen Materialien verwendet, die im Skelett gefunden werden, hart wird.

Edwin Jager ist Associate Professor am Department of Physics, Chemistry and Biology (IFM) an der Linköping University.

„Wir möchten dieses Material für Anwendungen verwenden, bei denen Materialien unterschiedliche Eigenschaften zu verschiedenen Zeitpunkten haben müssen. Zunächst ist das Material weich und flexibel, und es wird dann festgelegt, wenn es hart wird. Dieses Material könnte beispielsweise bei komplizierten Knochenbrüchen verwendet werden. Es könnte auch in Mikrorobotern verwendet werden – diese weichen Mikroroboter könnten durch eine dünne Spritze in den Körper injiziert werden, und dann würden sie sich entfalten und ihre eigenen starren Knochen entwickeln“, sagt Jager.

Entdeckung einzigartiger Biomoleküle

Das Team kam auf die Idee während eines Forschungsaufenthalts in Japan, wo Jager Hiroshi Kamioka und Emilio Hara traf, die Forschungen über Knochen durchführen. Die Forscher entdeckten eine Art von Biomolekül, das Knochenwachstum in kurzer Zeit stimulieren kann, und sie fragten sich, ob es mit Materialforschung kombiniert werden könnte, um neue Materialien zu entwickeln.

Die Studie wurde in Advanced Materials veröffentlicht.

In der Studie erstellten die Forscher einen einfachen „Mikroroboter“, der verschiedene Formen annehmen und seine Steifigkeit ändern kann. Sie vertrauten auf Alginate, einem Gel-Material, bei dem ein Polymer-Material auf einer Seite gewachsen wird. Alginate ist auch elektroaktiv und ändert sein Volumen, wenn eine niedrige Spannung angelegt wird, was den Mikroroboter in eine bestimmte Richtung biegen lässt.

Die Forscher befestigten dann Biomoleküle auf der anderen Seite des Gels. Die Biomoleküle ermöglichen es dem weichen Gel-Material, hart zu werden, und sie werden aus der Zellmembran einer Zellart extrahiert, die für die Knochenentwicklung von entscheidender Bedeutung ist. Das Material kann dann in ein Zellkulturmedium getaucht werden, das eine Umgebung enthält, die Calcium und Phosphor enthält und dem Körper ähnelt. Wenn es getaucht wird, verursachen die Biomoleküle, dass das Gel mineralisiert und hart wird.

Potentielle Anwendungen

Es gibt viele potentielle Anwendungen für dieses neue Material, wie z.B. die Knochenheilung. Wenn es in seiner weichen Form ist, kann das Material in komplizierte Knochenbrüche eindringen, bevor es sich ausdehnt. Nach der Härte bildet es die Grundlage für den Bau neuer Knochen.

Die Forscher setzten das Material in ihrer Studie ein, indem sie es um Hühnerknochen wickelten. Der künstliche Knochen entwickelte sich dann und wuchs mit den Hühnerknochen zusammen.

Die Forscher können auch bestimmen, wie der Mikroroboter sich biegt, indem sie Muster in das Gel machen. Wenn sie beispielsweise senkrechte Linien auf der Oberfläche des Materials machen, biegt sich der Mikroroboter in einem Halbkreis. Wenn sie diagonale Linien machen, biegt er sich wie ein Korkenzieher.

“Indem wir steuern, wie sich das Material dreht, können wir den Mikroroboter auf unterschiedliche Weise bewegen und auch beeinflussen, wie das Material in gebrochenen Knochen sich entfaltet. Wir können diese Bewegungen in die Struktur des Materials einbauen, wodurch komplexe Programme für die Steuerung dieser Roboter unnötig werden”, sagt Jager.

Die Forscher werden nun weiterhin die Eigenschaften der Materialien und ihre Zusammenarbeit mit lebenden Zellen untersuchen. Dies könnte einen tieferen Einblick in die Biokompatibilität der Materialien liefern.