Výskumníci vyvíjajú „mikroroboty“, ktoré si vytvárajú vlastnú kosť

Tím výskumníkov na univerzitách v Linköpingu vo Švédsku a Okayame v Japonsku vyvinul kombináciu materiálov, ktoré sa dokážu pretvárať do tvarov a vytvrdzovať. Tým sa inšpiroval rastom kostí v kostre.

Jedinečný materiál začína byť mäkký pred vytvrdnutím prostredníctvom procesu vývoja kosti, ktorý využíva rovnaké materiály, aké sa nachádzajú v kostre.

Edwin Jager je docentom na Katedre fyziky, chémie a biológie (IFM) na Univerzite v Linköpingu.

„Chceme to použiť pre aplikácie, kde materiály musia mať rôzne vlastnosti v rôznych časových okamihoch. Po prvé, materiál je mäkký a pružný a po vytvrdnutí sa zafixuje na mieste. Tento materiál by sa dal použiť napríklad pri komplikovaných zlomeninách kostí. Dalo by sa to použiť aj v mikrorobotoch – tieto mäkké mikroroboty by sa dali vstreknúť do tela cez tenkú injekčnú striekačku a potom by sa rozvinuli a vyvinuli svoje vlastné tuhé kosti,“ hovorí Jager.

Objavovanie unikátnej biomolekuly

Tím prišiel s nápadom počas výskumnej návštevy v Japonsku, kde sa Jager stretol s Hiroshi Kamioka a Emilio Hara, ktorí vykonávajú výskum kostí. Výskumníci objavili typ biomolekuly, ktorá by mohla stimulovať rast kostí v krátkom časovom období, a zaujímalo ich, či by sa to nedalo skombinovať s výskumom materiálov na vývoj nových materiálov. 

Štúdia bola uverejnená v roku 2006 Pokročilé materiály. 

V štúdii tím vytvoril jednoduchý „mikrorobot“, ktorý môže mať rôzne tvary a meniť tuhosť. Stavili na alginát, čo je gélový materiál, kde na jednej strane rastie polymérny materiál. Alginát je tiež elektroaktívny a pri nízkom napätí mení svoj objem, čo spôsobí, že sa mikrorobot ohne určitým smerom. 

Výskumníci potom pripojili biomolekuly na druhú stranu gélu. Biomolekuly umožňujú mäkkému gélovému materiálu vytvrdnúť a sú extrahované z bunkovej membrány typu buniek, ktoré sú kľúčové pre vývoj kostí. Materiál môže byť potom ponorený do bunkového kultivačného média, čo je prostredie, ktoré obsahuje vápnik a fosfor a podobá sa telu. Po ponorení biomolekuly gél mineralizujú a stvrdnú. 

Potenciálne aplikácie

Existuje mnoho potenciálnych aplikácií pre tento nový materiál, ako je napríklad hojenie kostí. Keď je v mäkkej forme, materiál by sa mohol presunúť do priestorov v komplikovaných zlomeninách kostí predtým, ako sa roztiahne. Po vytvrdnutí by vytvoril základ pre stavbu novej kosti. 

Výskumníci použili materiál vo svojej štúdii a omotali ho okolo kuracích kostí. Umelá kosť bola potom vyvinutá a rástla spolu s kuracími kosťami. 

Výskumníci môžu tiež určiť, ako sa bude mikrobot ohýbať, vytvorením vzorov v géli. Ak napríklad urobia na povrchu materiálu kolmé čiary, mikrorobot sa ohne do polkruhu. Ak urobia diagonálne čiary, ohne sa ako vývrtka.

„Kontrolou toho, ako sa materiál otáča, môžeme prinútiť mikrorobota pohybovať sa rôznymi spôsobmi a tiež ovplyvniť, ako sa materiál rozvinie do zlomených kostí. Tieto pohyby môžeme vložiť do štruktúry materiálu, čím sa stanú zložité programy na riadenie týchto robotov zbytočné,“ hovorí Jager.

Vedci sa teraz budú bližšie zaoberať vlastnosťami materiálov a ich spolupôsobením so živými bunkami. To by mohlo poskytnúť hlbší pohľad na biokompatibilitu materiálov.