Onderzoekers ontwikkelen “microrobots” die hun eigen bot creëren

Een team van onderzoekers aan de universiteiten van Linköping in Zweden en Okayama in Japan heeft een combinatie van materialen ontwikkeld die kunnen veranderen van vorm en hard worden. Het team werd geïnspireerd door de groei van botten in het skelet.

Het unieke materiaal begint zacht en hardt door een botontwikkelingsproces dat gebruik maakt van dezelfde materialen die in het skelet worden aangetroffen.

Edwin Jager is een associate professor aan de afdeling Fysica, Chemie en Biologie (IFM) van de Universiteit van Linköping.

“We willen dit gebruiken voor toepassingen waar materialen verschillende eigenschappen moeten hebben op verschillende momenten. Eerst is het materiaal zacht en flexibel, en dan wordt het vastgezet als het hard wordt. Dit materiaal kan worden gebruikt in bijvoorbeeld ingewikkelde botbreuken. Het kan ook worden gebruikt in microrobots – deze zachte microrobots kunnen via een dunne spuit in het lichaam worden geïnjecteerd, en dan zullen ze zich ontvouwen en hun eigen rigide botten ontwikkelen,” zegt Jager.

Ontdekking van unieke biomoleculen

Het team kreeg het idee tijdens een onderzoeksbezoek in Japan, waar Jager Hiroshi Kamioka en Emilio Hara ontmoette, die onderzoek doen naar botten. De onderzoekers ontdekten een type biomolecuul dat botgroei kon stimuleren in een korte periode, en ze vroegen zich af of het kon worden gecombineerd met materiaalonderzoek om nieuwe materialen te ontwikkelen.

De studie werd gepubliceerd in Advanced Materials.

In de studie creëerden de onderzoekers een eenvoudige “microrobot” die verschillende vormen kan aannemen en van stijfheid kan veranderen. Ze gebruikten alginaten, een gelmateriaal waarop een polymeermateriaal op één zijde wordt gekweekt. Alginaten zijn ook electroactief en veranderen van volume als een lage spanning wordt toegepast, waardoor de microrobot in een bepaalde richting buigt.

De onderzoekers hechtten vervolgens biomoleculen aan de andere zijde van het gel. De biomoleculen laten het zachte gelmateriaal hard worden, en ze worden geëxtraheerd uit de celmembranen van een type cel dat cruciaal is voor botontwikkeling. Het materiaal kan vervolgens in een celkweekmedium worden ondergedompeld, een omgeving die calcium en fosfor bevat en op het lichaam lijkt. Als het eenmaal is ondergedompeld, laten de biomoleculen het gel mineraliseren en hard worden.

Mogelijke toepassingen

Er zijn veel mogelijke toepassingen voor dit nieuwe materiaal, zoals botgenezing. Als het in zijn zachte vorm is, kan het materiaal in ruimtes in ingewikkelde botbreuken bewegen voordat het uitzet. Na het hard worden zou het de basis vormen voor de constructie van nieuw bot.

De onderzoekers hebben het materiaal in hun studie gebruikt door het om kippenbotten te wikkelen. Het kunstbot werd vervolgens ontwikkeld en groeide samen met de kippenbotten.

De onderzoekers kunnen ook bepalen hoe de microbot buigt door patronen in het gel te maken. Als ze bijvoorbeeld loodrechte lijnen op het oppervlak van het materiaal maken, zal de microrobot in een halve cirkel buigen. Als ze diagonale lijnen maken, zal het als een kurkentrekker buigen.

“Door te controleren hoe het materiaal draait, kunnen we de microrobot op verschillende manieren laten bewegen, en ook beïnvloeden hoe het materiaal in gebroken botten ontvouwt. We kunnen deze bewegingen in de structuur van het materiaal embedden, waardoor complexe programma’s voor het besturen van deze robots overbodig worden,” zegt Jager.

De onderzoekers zullen nu verder onderzoek doen naar de eigenschappen van de materialen en hoe ze samenwerken met levende cellen. Dit kan een dieper inzicht geven in de biocompatibiliteit van de materialen.