Naukowcy opracowali „mikroboty”, które tworzą własne kości

Zespół naukowców z uniwersytetów w Linköping w Szwecji i Okayama w Japonii opracował połączenie materiałów, które mogą zmieniać kształt i twardnieć. Zespół został zainspirowany rozwojem kości w szkielecie.

Unikalny materiał zaczyna się od stanu miękkiego, zanim zatwardnieje poprzez proces rozwoju kości, który wykorzystuje te same materiały znajdujące się w szkielecie.

Edwin Jager jest adiunktem w Wydziale Fizyki, Chemii i Biologii (IFM) na Uniwersytecie w Linköping.

„Chcemy wykorzystać to do aplikacji, w których materiały muszą mieć różne właściwości w różnych punktach czasu. Po pierwsze, materiał jest miękki i elastyczny, a następnie zamyka się w miejscu, gdy twardnieje. Ten materiał można wykorzystać na przykład w przypadku skomplikowanych złamań kości. Może być również wykorzystany w mikrobotach – te miękkie mikroboty mogą być wstrzykiwane do ciała przez cienką strzykawkę, a następnie rozwiną się i rozwiną własne sztywne kości”, mówi Jager.

Odkrywanie unikalnych biomolekuł

Zespół wpadł na tę ideę podczas wizyty badawczej w Japonii, gdzie Jager spotkał się z Hiroshi Kamioką i Emilio Harą, którzy prowadzą badania nad kośćmi. Naukowcy odkryli rodzaj biomolekuły, który mógłby stymulować wzrost kości w krótkim czasie, i zastanawiali się, czy można go połączyć z badaniami materiałowymi, aby opracować nowe materiały.

Badanie zostało opublikowane w Advanced Materials.

W badaniu zespół stworzył prosty „mikrobot”, który może przyjmować różne kształty i zmieniać sztywność. Opierali się na alginacie, który jest materiałem żelowym, gdzie materiał polimerowy jest hodowany na jednej stronie. Alginat jest również elektroaktywny i zmienia swoją objętość, gdy jest stosowana niska napięcie, co powoduje, że mikrobot zgina się w określonym kierunku.

Następnie naukowcy dołączyli biomolekuły na drugiej stronie żelu. Biomolekuły pozwalają miękkim materiałom żelowym zatwardnieć, a są one wyodrębnione z błony komórkowej rodzaju komórki niezbędnej do rozwoju kości. Materiał może być następnie zanurzony w środowisku hodowlanym komórek, które jest środowiskiem zawierającym wapń i fosfor, podobnym do ciała. Gdy jest zanurzony, biomolekuły powodują, że żel mineralizuje się i twardnieje.

Potencjalne zastosowania

Istnieje wiele potencjalnych zastosowań dla tego nowego materiału, takich jak gojenie kości. Gdy jest w swojej miękkiej postaci, materiał może poruszać się w przestrzeniach skomplikowanych złamań kości, zanim się rozwinie. Po zatwardnieniu stanowiłby podstawę dla budowy nowych kości.

Naukowcy wdrożyli materiał w swoim badaniu, owijając go wokół kości kurczaka. Sztuczna kość została następnie opracowana i rosła razem z kośćmi kurczaka.

Naukowcy mogą również określić, jak mikrobot będzie się zginał, tworząc wzory w żelu. Na przykład, jeśli utworzą linie prostopadłe na powierzchni materiału, mikrobot zgina się w półkole. Jeśli utworzą linie ukośne, zgina się jak korkociąg.

„Poprzez kontrolowanie, jak materiał się obraca, możemy sprawić, że mikrobot porusza się w różnych sposobach, a także wpłynąć na to, jak materiał rozwija się w złamanych kościach. Możemy wbudować te ruchy w strukturę materiału, co sprawia, że złożone programy do sterowania tymi robotami są niepotrzebne”, mówi Jager.

Naukowcy będą teraz badać właściwości materiałów i sposób, w jaki współpracują z żywymi komórkami. To może dać głębszy wgląd w biocompatybilność materiałów.