Tutkijat kehittävät "mikrorobotteja", jotka luovat oman luunsa

Ruotsin Linköpingin ja Japanin Okayaman yliopistojen tutkijaryhmä on kehittänyt yhdistelmän materiaaleja, jotka voivat muuttua muotoiksi ja kovettua. Ryhmä sai inspiraationsa luuston kasvusta.

Ainutlaatuinen materiaali alkaa pehmeänä ennen kovettumista luun kehitysprosessin kautta, jossa käytetään samoja materiaaleja kuin luurankossa.

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

”Haluamme käyttää tätä sovelluksissa, joissa materiaaleilla on oltava erilaisia ​​ominaisuuksia eri ajankohtina. Ensinnäkin materiaali on pehmeää ja joustavaa, minkä jälkeen se lukittuu paikoilleen kovettuessaan. Tätä materiaalia voitaisiin käyttää esimerkiksi monimutkaisissa luunmurtumissa. Sitä voitaisiin käyttää myös mikroroboteissa – nämä pehmeät mikrorobotit voitaisiin ruiskuttaa kehoon ohuen ruiskun kautta, ja sitten ne avautuisivat ja kehittäisivät omat jäykät luunsa”, Jager sanoo.

Ainutlaatuisen biomolekyylin löytäminen

Tiimi sai idean tutkimusvierailulla Japanissa, jossa Jager tapasi Hiroshi Kamiokan ja Emilio Haran, jotka tekevät luututkimusta. Tutkijat löysivät eräänlaisen biomolekyylin, joka voisi stimuloida luun kasvua lyhyessä ajassa, ja he ihmettelivät, voitaisiinko se yhdistää materiaalitutkimukseen uusien materiaalien kehittämiseksi. 

Tutkimus julkaistiin vuonna 2007 Advanced Materials. 

Tutkimuksessa ryhmä loi yksinkertaisen "mikrorobotin", joka voi ottaa erilaisia ​​muotoja ja muuttaa jäykkyyttä. He luottivat alginaattiin, joka on geelimateriaalia, jossa polymeerimateriaalia kasvatetaan toisella puolella. Alginaatti on myös sähköaktiivinen ja muuttaa tilavuuttaan matalalla jännitteellä, mikä saa mikrorobotin taipumaan tiettyyn suuntaan. 

Sitten tutkijat kiinnittivät biomolekyylejä geelin toiselle puolelle. Biomolekyylit antavat pehmeän geelimateriaalin kovettua, ja ne uutetaan luun kehitykselle ratkaisevan solutyypin solukalvosta. Materiaali voidaan sitten upottaa soluviljelyalustaan, joka on kalsiumia ja fosforia sisältävä ympäristö, joka muistuttaa kehoa. Kun se on upotettu, biomolekyylit saavat geelin mineralisoitumaan ja kovettua. 

Mahdolliset sovellukset

Tälle uudelle materiaalille on monia mahdollisia sovelluksia, kuten luun paranemista. Pehmeässä muodossaan materiaali voi siirtyä monimutkaisissa luunmurtumissa oleviin tiloihin ennen laajenemista. Kovettumisen jälkeen se muodostaisi perustan uuden luun rakentamiselle. 

Tutkijat käyttivät materiaalia tutkimuksessaan käärien sen kananluiden ympärille. Keinotekoinen luu kehitettiin sitten ja kasvoi yhdessä kananluiden kanssa. 

Tutkijat voivat myös määrittää, kuinka mikrobotti taipuu tekemällä kuvioita geeliin. Esimerkiksi jos ne tekevät kohtisuorat viivat materiaalin pintaan, mikrorobotti taipuu puoliympyrään. Jos he tekevät diagonaalisia viivoja, se taipuu kuin korkkiruuvi.

”Säätämällä materiaalin kääntymistä voimme saada mikrorobotin liikkumaan eri tavoin ja vaikuttaa myös materiaalin avautumiseen murtuneissa luissa. Voimme upottaa nämä liikkeet materiaalin rakenteeseen, jolloin monimutkaiset ohjelmat näiden robottien ohjaamiseen ovat tarpeettomia”, Jager sanoo.

Tutkijat tutkivat nyt tarkemmin materiaalien ominaisuuksia ja niiden toimintaa yhdessä elävien solujen kanssa. Tämä voisi tarjota syvemmän käsityksen materiaalien biologisesta yhteensopivuudesta.