211service.com
Bionic muskler hårdnar upp
Hjärtats vävnader är mekaniskt tuffa och elektriskt ledande, och de håller ett starkt, rytmiskt slag – egenskaper som är svåra att efterlikna i labbet. Men ett nytt hybridmaterial som kombinerar cellvänlig gel, starka, ledande kolnanorör och levande hjärtceller efterliknar naturlig hjärtvävnad mer framgångsrikt än tidigare försök. Så småningom kan det nya materialet vara användbart i både medicinska och robotapplikationer.
De bioniska vävnaderna, gjorda av Ali Khademhosseini , en professor vid Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology i Cambridge, Massachusetts, skulle kunna fungera som muskler för biologiska maskiner – rörliga, programmerbara levande vävnader som tar syntetisk biologi bortom enstaka celler. Många av de saker som naturliga vävnader och biologiska celler kan göra, som att känna av och reagera på sin miljö, är svåra för ingenjörer att uppnå med de syntetiska materialen som används i konventionell robotteknik. Forskare hoppas att bygga maskiner från biologiska material som hjärtvävnad kommer att utöka vad som är möjligt. De nya vävnaderna kan simma obundna i vatten, svänga fram och tillbaka och utföra andra rörelser programmerade genom att kontrollera deras form och tjocklek.
Om dessa material visar sig vara säkra för användning i människokroppen, kan de också användas för att lappa vävnad som skadats av hjärtinfarkt. Forskare som konstruerar hjärtvävnader i labbet använder ofta polymerer och geler för att ge hjärtceller en miljö där de kommer att växa och bete sig som de gör i kroppen. De resulterande materialen har två kritiska brister, säger Khademhosseini. De matchar inte hjärtvävnadens elektriska ledningsförmåga, och de är inte heller lika mekaniskt starka.
När hjärtat slår, reagerar celler på den mekaniska kraften och frigör kemikalier som uppmuntrar tillväxt, säger Thomas Webster , en kemiingenjör vid Northeastern University i Boston, som inte var involverad i arbetet. Och om plåstret är mindre ledande än resten av hjärtat, kan elektriska signaler uppleva förseningar. Om ett plåster utan precis rätt egenskaper placeras på en patients hjärta, kanske det inte växer ordentligt, och det kanske inte kan slå i takt med resten av hjärtat, säger Webster.
Cambridge-gruppen löser detta problem genom att lägga till kolnanorör till vävnadstekniska geler. Resultatet är en squishy gel med en härva av starka, ledande kolfibrer inbäddade i den. Khademhosseini sådde hjärtceller på dessa geler och studerade deras egenskaper. De bioniska vävnaderna liknade i elasticitet som råtthjärta - mycket mer elastiska än tidigare labbtillverkade material. De hade också mycket bättre konduktivitet. Och vävnaderna var bättre i hjärtvävnadens huvudsakliga uppgift, att slå synkront. Khademhosseini exponerade den bioniska vävnaden för olika kemikalier och fann att den var relativt resistent mot skador - kanske för att kolnanorören tillhandahåller elektriska länkar mellan celler som kan upprätthålla kommunikation även när de är under stress. Detta arbete beskrivs online i tidskriften ACS Nano .
Webster säger att innan några medicinska tillämpningar kan övervägas måste forskare visa att kolnanorör inte är giftiga - särskilt eftersom de inte är biologiskt nedbrytbara och sannolikt kommer att stanna kvar i kroppen under lång tid. Han noterar att även om själva kolmaterialen är säkra, kan tillverkningsprocessen för nanorör lämna spår av giftiga metallkatalysatorer.
Khademhosseini säger att den första användningen av materialen kan vara i biologiska maskiner som används för att bedöma och återställa giftiga miljöer eller reparera byggnader. Förra året visade forskare frisimmande maneter -som robotar och gående biologiska maskiner byggd av hjärtvävnader och polymerer. Men utan ledande material är deras tillämpningar begränsade, sägerRashid Bashir, en bioingenjör vid University of Illinois i Urbana-Champaign, som gjorde gåroboten. Kan man mönstra grundmaterialet kan man göra kretsar inuti, säger han.