Дослідники розробили “мікророботів”, які формують власні кістки

Команда дослідників з університетів Лінкьопінга в Швеції та Окаями в Японії розробила комбінацію матеріалів, які можуть змінювати форму та тверднути. Натхненням для команди стало зростання кісток у скелеті.

Унікальний матеріал спочатку м’який, а потім твердне через процес розвитку кістки, який використовує ті самі матеріали, що й у скелеті.

Едвін Ягер – асоційований професор кафедри фізики, хімії та біології (IFM) у Лінкьопінзькому університеті.

“Ми хочемо використовувати це для застосунків, де матеріали повинні мати різні властивості в різні моменти часу. Спочатку матеріал м’який і гнучкий, а потім закріплюється, коли твердне. Цей матеріал можна використовувати, наприклад, у складних переломах кісток. Його також можна використовувати в мікророботах – ці м’які мікророботи можна ввести в організм через тонку голку, а потім вони розгорнуться і сформують власні тверді кістки”, – говорить Ягер.

Відкриття унікальної біомолекули

Команда прийшла до цієї ідеї під час дослідницької поїздки до Японії, де Ягер зустрівся з Хіросі Каміокою та Еміліо Харою, які проводять дослідження кісток. Дослідники відкрили тип біомолекули, який може стимулювати розвиток кісток за короткий період часу, і вони запитали себе, чи можна це поєднати з матеріалознавством, щоб розробити нові матеріали.

Дослідження було опубліковано в Advanced Materials.

У дослідженні команда створила простого “мікроробота”, який може приймати різні форми та міняти свою жорсткість. Вони використали альгінат, який є гелеподібним матеріалом, де полімерний матеріал росте на одній стороні. Альгінат також електроактивний і змінює свій об’єм, коли прикладається низька напруга, що викликає згинання мікроробота в певному напрямку.

Дослідники потім прикріпили біомолекули до іншої сторони гелю. Біомолекули дозволяють м’якому гелеподібному матеріалу тверднути, і вони видобуваються з клітинної мембрани типу клітин, що відіграє важливу роль у розвитку кісток. Матеріал можна потім занурити в середовище клітинної культури, яке містить кальцій і фосфор і нагадує організм. Коли його занурено, біомолекули спричиняють мінералізацію й тверднення гелю.

Потенційні застосування

Є багато потенційних застосунків для цього нового матеріалу, наприклад, у лікуванні кісток. Коли матеріал знаходиться у м’якій формі, його можна пересунути в простори складних переломів кісток перед розширенням. Після тверднення він утворить основу для будівництва нової кістки.

Дослідники застосували матеріал у своєму дослідженні, обернувши його навколо курячих кісток. Штучна кістка потім розвинулася і виросла разом з курячими кістками.

Дослідники також можуть визначити, як мікроробот згинається, створюючи узори на поверхні матеріалу. Наприклад, якщо вони створюють перпендикулярні лінії на поверхні матеріалу, мікроробот згинається у півколі. Якщо вони створюють діагональні лінії, він згинається, як штопор.

“Контролюючи, як матеріал повертається, ми можемо зробити мікроробота рухатися по-різному, а також вплинути на те, як матеріал розгортається в переломах кісток. Ми можемо вбудувати ці рухи в структуру матеріалу, роблячи складні програми для керування цими роботами непотрібними”, – говорить Ягер.

Дослідники тепер будуть далі вивчати властивості матеріалів і те, як вони працюють разом з живими клітинами. Це може дати глибше розуміння біосумісності матеріалів.