Рост костей вдохновил «микророботов», которые могут создавать свои собственные кости

Вдохновленные ростом костей в скелете, исследователи из университетов Линчёпинга в Швеции и Окаямы в Японии разработали комбинацию материалов, которые перед затвердеванием могут принимать различные формы. Изначально материал мягкий, но позже затвердевает в процессе развития кости, в котором используются те же материалы, что и в скелете.

«Мы хотим использовать это для приложений, в которых 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 — этих мягких микророботов 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. (IFM) в Университете Линчепинга.

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.