Tutkijat kehittivät “mikrorobotteja”, jotka muodostavat omia luita

Ruotsin Linköpingin ja Japanin Okayaman yliopistojen tutkijaryhmä on kehittänyt materiaalin, joka voi muuttaa muotoa ja kovettua. Tutkijat saivat inspiraation luurankojen kasvusta.

Erityinen materiaali on aluksi pehmeä, mutta kovettuu luurankojen kehitysprosessin kautta, jossa käytetään samanlaisia materiaaleja kuin luurangoissa.

Edwin Jager on apulaisprofessori Linköpingin yliopiston fysiikan, kemian ja biologian laitoksella (IFM).

“Haluamme käyttää tätä sovelluksissa, joissa materiaaleilla on oltava erilaisia ominaisuuksia eri aikoina. Ensinnäkin, materiaali on pehmeä ja joustava, ja se lukittuu paikalleen, kun se kovettuu. Tätä materiaalia voisi käyttää esimerkiksi monimutkaisissa luunmurtumissa. Se voisi myös olla käytössä mikrorobooteissa – nämä pehmeät mikrorobotit voisi ruiskutella kehoon ohuen neulan kautta, ja sitten ne avautuisivat ja kehittäisivät oman jäykän luurangonsa”, sanoo Jager.

Erityisen biomolekyylin löytäminen

Tutkijat keksivät idean Japanissa, kun Jager tapasi Hiroshi Kamiokan ja Emilio Haran, jotka tutkivat luita. Tutkijat löysivät biomolekyylin, joka voisi stimuloida luun kasvua lyhyessä ajassa, ja he ihmettelivät, voitaisiinko sitä yhdistää materiaalitutkimukseen uusien materiaalien kehittämiseksi.

Tutkimus julkaistiin Advanced Materials -julkaisussa.

Tutkimuksessa tutkijat loivat yksinkertaisen “mikrorobotin”, joka voi muuttaa muotoa ja muuttaa jäykkyyttään. He käyttivät alginaattia, joka on geelimäinen materiaali, jossa polymerimateriaali kasvaa toisella puolella. Alginaatti on myös elektroaktiivinen ja muuttaa tilavuuttaan, kun siihen käytetään matalaa jännitettä, ja tämä aiheuttaa mikrorobotin taipumisen tiettyyn suuntaan.

Tutkijat kiinnittivät biomolekyylejä geelin toiselle puolelle. Biomolekyylit mahdollistavat pehmeän geelimateriaalin kovettumisen, ja ne on eristetty luun kehitykselle tärkeän solutyypin solukalvolta, joka on tärkeä luun kehitykselle. Materiaali voidaan upottaa solukasvatusmediumiin, joka on ympäristö, joka sisältää kalsiumia ja fosforia ja muistuttaa kehoa. Kun se upotetaan, biomolekyylit saavat geelin mineralisoitumaan ja kovettumaan.

Mahdolliset sovellukset

On monia potentiaalisia sovelluksia tälle uudelle materiaalille, kuten luun parantamiselle. Kun se on pehmeässä muodossaan, materiaali voisi liikkua monimutkaisissa luunmurtumissa ennen laajentumista. Kovettumisen jälkeen se muodostaisi perustan uuden luun rakentamiselle.

Tutkijat käyttivät materiaalia tutkimuksessaan, kääriessään sen kananluun ympärille. Keinotekoinen luu kehittyi ja kasvoi yhdessä kananluun kanssa.

Tutkijat voivat myös määrittää, miten mikrorobotti taipuu, tekemällä kuviota geeliin. Esimerkiksi, jos he tekevät poikittaisia viivoja materiaalin pinnalle, mikrorobotti taipuu puoliympyrän muotoon. Jos he tekevät vinoviivoja, se taipuu korkkiruuvimaisesti.

“Säätelemällä, miten materiaali kääntyy, voimme saada mikrorobotin liikkumaan eri tavoilla, ja myös vaikuttaa, miten materiaali avautuu murtuneiden luiden sisällä. Voimme upottaa nämä liikkeet materiaalin rakenteeseen, mikä tekee monimutkaiset ohjelmat näiden robotien ohjaamiseksi tarpeettomiksi”, sanoo Jager.

Tutkijat tarkastelevat nyt materiaalien ominaisuuksia ja sitä, miten ne toimivat elävien solujen kanssa. Tämä voisi antaa syvemmän ymmärryksen materiaalien biologisesta yhteensopivuudesta.