Các nhà nghiên cứu phát triển “Microrobot” tự tạo xương

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại các trường đại học Linköping ở Thụy Điển và Okayama ở Nhật Bản đã phát triển một sự kết hợp của các vật liệu có thể biến hình và cứng lại. Nhóm nghiên cứu này đã được truyền cảm hứng từ sự phát triển của xương trong khung xương.

Vật liệu độc đáo này bắt đầu mềm trước khi cứng lại thông qua một quá trình phát triển xương sử dụng cùng các vật liệu được tìm thấy trong khung xương.

Edwin Jager là giáo sư phụ tá tại Khoa Vật lý, Hóa học và Sinh học (IFM) tại Đại học Linköping.

“Chúng tôi muốn sử dụng vật liệu này cho các ứng dụng mà vật liệu cần có các tính chất khác nhau tại các điểm thời gian khác nhau. Trước hết, vật liệu này mềm và linh hoạt, và sau đó nó được khóa vào vị trí khi nó cứng lại. Vật liệu này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như các vết gãy xương phức tạp. Nó cũng có thể được sử dụng trong các microrobot – những microrobot mềm này có thể được tiêm vào cơ thể thông qua một kim tiêm mỏng, và sau đó chúng sẽ mở ra và phát triển xương cứng của riêng chúng,” nói Jager.

Khám phá phân tử sinh học độc đáo

Nhóm nghiên cứu này đã nghĩ ra ý tưởng này trong một chuyến thăm nghiên cứu tại Nhật Bản, nơi Jager đã gặp với Hiroshi Kamioka và Emilio Hara, những người thực hiện nghiên cứu về xương. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một loại phân tử sinh học có thể kích thích sự phát triển xương trong một thời gian ngắn, và họ tự hỏi liệu nó có thể được kết hợp với nghiên cứu vật liệu để phát triển các vật liệu mới.

Nghiên cứu này đã được công bố trên Advanced Materials.

Trong nghiên cứu, nhóm đã tạo ra một “microrobot” đơn giản có thể thay đổi hình dạng và độ cứng. Họ đã dựa vào alginate, một vật liệu gel nơi một vật liệu polymer được phát triển trên một bên. Alginate cũng là điện hoạt và thay đổi thể tích khi một điện áp thấp được áp dụng, và điều này khiến microrobot uốn cong theo một hướng cụ thể.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã gắn các phân tử sinh học vào bên kia của gel. Các phân tử sinh học này cho phép vật liệu gel mềm cứng lại, và chúng được chiết xuất từ màng tế bào của một loại tế bào quan trọng đối với sự phát triển xương. Vật liệu này sau đó có thể được ngâm trong một môi trường nuôi cấy tế bào, là một môi trường chứa canxi và phốt pho và giống như cơ thể. Khi nó được ngâm, các phân tử sinh học này làm cho gel khoáng hóa và cứng lại.

Ứng dụng tiềm năng

Có nhiều ứng dụng tiềm năng cho vật liệu mới này, chẳng hạn như chữa lành xương. Khi nó ở dạng mềm, vật liệu này có thể di chuyển vào các không gian trong các vết gãy xương phức tạp trước khi mở rộng. Sau khi cứng lại, nó sẽ tạo thành nền tảng cho việc xây dựng xương mới.

Các nhà nghiên cứu đã triển khai vật liệu này trong nghiên cứu của họ, quấn nó xung quanh xương gà. Xương nhân tạo sau đó đã được phát triển và phát triển cùng với xương gà.

Các nhà nghiên cứu cũng có thể xác định cách microrobot sẽ uốn cong bằng cách tạo ra các mẫu trên gel. Ví dụ, nếu họ tạo ra các đường thẳng vuông góc trên bề mặt của vật liệu, microrobot sẽ uốn cong thành một hình bán nguyệt. Nếu họ tạo ra các đường chéo, nó sẽ uốn cong như một ốc vít.

“Bằng cách kiểm soát cách vật liệu quay, chúng tôi có thể làm cho microrobot di chuyển theo các cách khác nhau, và cũng ảnh hưởng đến cách vật liệu mở ra trong các xương gãy. Chúng tôi có thể nhúng các chuyển động này vào cấu trúc của vật liệu, làm cho các chương trình phức tạp để điều khiển các robot này trở nên không cần thiết,” nói Jager.

Các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục nghiên cứu các tính chất của vật liệu và cách chúng tương tác với các tế bào sống. Điều này có thể cung cấp thông tin sâu hơn về tính tương thích sinh học của vật liệu.