Вдохновленные ростом костей в скелете, шведские и японские ученые разработали комбинацию материалов, которые перед затвердеванием могут принимать различные формы. Изначально материал мягкий, но позже затвердевает в процессе развития кости. В материале используются те же материалы, что и в скелете.
Когда мы рождаемся, у нас в черепе есть промежутки, которые покрыты кусочками мягкой соединительной ткани — эти участки называются роднички. Благодаря им череп новорожденного может деформироваться во время родов и успешно проходить родовые пути. После рождения ткань родничка постепенно превращается в твердую кость. И вот теперь исследователи объединили материалы, которые имитируют этот естественный процесс.
«Мы хотим использовать наше изобретение там, где материалы должны иметь разные свойства в разные моменты времени. Во-первых, материал мягкий и гибкий, а затем фиксируется на месте, когда затвердевает. Этот материал может быть использован, например, при осложненных переломах костей. Его также можно было бы использовать в микророботах — ткань можно было бы вводить в тело через тонкий шприц, а затем они разворачивались бы и развивали свои собственные жесткие кости», — говорит Эдвин Джагер, доцент кафедры физики, химии и биологии Университета Линчёпинга.
Идея возникла во время исследовательского визита в Японию, когда материаловед Эдвин Джагер встретился с Хироши Камиокой и Эмилио Хара, которые проводят исследования костей. Японские исследователи обнаружили своего рода биомолекулу, которая может стимулировать рост костей за короткий период времени. Можно ли объединить эту биомолекулу с исследованиями материалов Джагера для разработки новых материалов с переменной жесткостью?
В последующем исследовании, опубликованном в Advanced Materials, исследователи построили своего рода простого «микроробота», который может принимать различные формы и изменять жесткость. Исследователи начали с гелевого материала под названием альгинат. На одной стороне геля выращивается полимерный материал. Этот материал является электроактивным и меняет свой объем при приложении низкого напряжения, заставляя микроробота изгибаться в заданном направлении. С другой стороны геля исследователи прикрепили биомолекулы, которые позволяют мягкому гелевому материалу затвердевать. Эти биомолекулы извлекаются из клеточной мембраны клеток, важных для развития костей. Когда материал погружают в среду для культивирования клеток — среду, напоминающую тело и содержащую кальций и фосфор, — биомолекулы заставляют гель минерализоваться и твердеть, как кость.
Одним из потенциальных приложений, представляющих интерес для исследователей, является заживление костей. Идея состоит в том, что мягкий материал, питаемый электроактивным полимером, сможет маневрировать в пространствах сложных переломов костей и расширяться. Когда материал затвердеет, он может стать основой для строительства новой кости. В своем исследовании исследователи демонстрируют, что материал может оборачиваться вокруг куриных костей, а искусственная кость, которая впоследствии развивается, срастается с куриной костью.
Создавая узоры в геле, исследователи могут определить, как простой микроробот будет изгибаться при приложении напряжения. Перпендикулярные линии на поверхности материала заставляют робота изгибаться полукругом, а диагональные линии заставляют его изгибаться штопором.
«Управляя тем, как материал поворачивается, мы можем заставить микроробота двигаться по-разному, а также влиять 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 Эдвин Ягер.
Чтобы узнать больше о биосовместимости этой комбинации материалов, исследователи теперь изучают, как ее свойства взаимодействуют с живыми клетками.
Исследование проводилось при финансовой поддержке таких организаций, как программа Bridge Fellowship Японского общества содействия науке (JSPS) и KAKENHI, Шведского исследовательского совета, Promobilia и STINT (Шведский фонд международного сотрудничества в области исследований и высшего образования).
Нет комментариев