Исследователи разработали «микророботы», которые создают свою собственную кость

Команда исследователей из университетов Линкёпинга в Швеции и Окаямы в Японии разработала комбинацию материалов, которые могут менять форму и затвердевать. Команда была вдохновлена ростом костей в скелете.

Уникальный материал изначально мягкий, а затем затвердевает через процесс развития костей, который использует те же материалы, что и в скелете.

Эдвин Ягер – доцент кафедры физики, химии и биологии (IFM) в Университете Линкёпинга.

«Мы хотим использовать это для применения в случаях, когда материалам необходимо иметь разные свойства в разные моменты времени. Сначала материал мягкий и гибкий, а затем он фиксируется на месте, когда затвердевает. Этот материал можно использовать, например, в сложных переломах костей. Его также можно использовать в микророботах – эти мягкие микророботы можно ввести в тело через тонкую иглу, и затем они развернутся и разработают свои собственные жесткие кости», – говорит Ягер.

Открытие уникального биомолекула

Команда пришла к этой идее во время исследовательского визита в Японию, где Ягер встретился с Хироши Камиокой и Эмилио Харой, которые проводят исследования костей. Исследователи обнаружили тип биомолекул, который может стимулировать рост костей в короткий период времени, и они задумались, можно ли его объединить с исследованиями материалов для разработки новых материалов.

Исследование было опубликовано в Advanced Materials.

В исследовании команда создала простого «микроробота», который может принимать разные формы и менять жесткость. Они полагались на альгинат, который представляет собой гелеобразный материал, где полимерный материал выращивается на одной стороне. Альгинат также электроактивен и меняет свой объем при применении низкого напряжения, что вызывает изгиб микроробота в определенном направлении.

Исследователи затем прикрепили биомолекулы на другой стороне геля. Биомолекулы позволяют мягкому гелеобразному материалу затвердевать, и они извлекаются из мембраны клеток, которые важны для развития костей. Материал можно затем погрузить в среду для культивирования клеток, которая представляет собой среду, содержащую кальций и фосфор и напоминающую тело. Как только он погружен, биомолекулы заставляют гель минерализоваться и затвердевать.

Потенциальные применения

Существует множество потенциальных применений для этого нового материала, таких как заживление костей. Когда он находится в мягкой форме, материал может проникать в пространства сложных переломов костей, прежде чем расширяться. После затвердевания он образует основу для строительства новых костей.

Исследователи применили материал в своем исследовании, обернув его вокруг костей курицы. Искусственная кость была затем разработана и выросла вместе с костями курицы.

Исследователи также могут определять, как микроробот будет изгибаться, создавая узоры на геле. Например, если они создают перпендикулярные линии на поверхности материала, микроробот будет изгибаться в полукруг. Если они создают диагональные линии, он будет изгибаться, как винт.

«Управляя тем, как материал поворачивается, мы можем заставить микроробота двигаться разными способами, и также повлиять на то, как материал разворачивается в сломанных костях. Мы можем встроить эти движения в структуру материала, что делает ненужными сложные программы для управления этими роботами», – говорит Ягер.

Исследователи теперь будут более подробно изучать свойства материалов и то, как они работают вместе с живыми клетками. Это может дать более глубокое понимание биосовместимости материалов.