211service.com
Bionische spieren worden sterker
De weefsels van het hart zijn mechanisch sterk en elektrisch geleidend, en ze houden een sterke, ritmische beat vast - eigenschappen die moeilijk na te bootsen zijn in het laboratorium. Maar een nieuw hybride materiaal dat celvriendelijke gel, sterke, geleidende koolstofnanobuizen en levende hartcellen combineert, bootst natuurlijk hartweefsel met meer succes na dan eerdere pogingen. Uiteindelijk zou het nieuwe materiaal nuttig kunnen zijn in zowel medische als robottoepassingen.
De bionische weefsels, gemaakt door Ali Khademhosseini , een professor aan de Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology in Cambridge, Massachusetts, zou kunnen dienen als spieren voor biologische machines - bewegende, programmeerbare levende weefsels die synthetische biologie verder brengen dan afzonderlijke cellen. Veel van de dingen die natuurlijke weefsels en biologische cellen kunnen doen, zoals hun omgeving waarnemen en erop reageren, zijn voor ingenieurs moeilijk te bereiken met de synthetische materialen die in conventionele robotica worden gebruikt. Onderzoekers hopen dat het bouwen van machines uit biologische materialen zoals hartweefsel zal uitbreiden wat mogelijk is. De nieuwe weefsels kunnen ongebonden in water zwemmen, heen en weer zwaaien en andere bewegingen uitvoeren die zijn geprogrammeerd door hun vorm en dikte te regelen.
Als deze materialen veilig blijken te zijn voor gebruik in het menselijk lichaam, kunnen ze ook worden gebruikt om weefsel dat is beschadigd door hartaanvallen te herstellen. Onderzoekers die hartweefsels in het laboratorium ontwikkelen, gebruiken vaak polymeren en gels om hartcellen een omgeving te bieden waarin ze zullen groeien en zich gedragen zoals ze dat in het lichaam doen. De resulterende materialen hebben twee kritieke gebreken, zegt Khademhosseini. Ze komen niet overeen met de elektrische geleidbaarheid van hartweefsel en zijn ook niet zo mechanisch sterk.
Wanneer het hart klopt, reageren cellen op die mechanische kracht en geven ze chemicaliën af die de groei stimuleren, zegt Thomas Webster , een chemisch ingenieur aan de Northeastern University in Boston, die niet bij het werk betrokken was. En als de pleister minder geleidend is dan de rest van het hart, kunnen elektrische signalen vertraging oplopen. Als een pleister zonder precies de juiste eigenschappen op het hart van een patiënt wordt geplaatst, groeit deze mogelijk niet goed en kan hij mogelijk niet op tijd kloppen met de rest van het hart, zegt Webster.
De Cambridge-groep lost dit probleem op door koolstofnanobuisjes toe te voegen aan gels voor weefselengineering. Het resultaat is een squishy gel waarin een wirwar van sterke, geleidende koolstofvezels is ingebed. Khademhosseini zaaide hartcellen op deze gels en bestudeerde hun eigenschappen. De bionische weefsels waren qua elasticiteit vergelijkbaar met het hart van ratten - veel elastischer dan eerdere in het laboratorium gemaakte materialen. Ze hadden ook een veel betere geleidbaarheid. En de weefsels waren beter in de hoofdtaak van hartweefsel, synchroon kloppen. Khademhosseini stelde het bionische weefsel bloot aan verschillende chemicaliën en ontdekte dat het relatief resistent was tegen beschadiging - misschien omdat de koolstofnanobuisjes elektrische verbindingen tussen cellen vormen die de communicatie kunnen handhaven, zelfs als ze onder stress staan. Dit werk wordt online beschreven in het tijdschrift ACS Nano .
Webster zegt dat voordat medische toepassingen kunnen worden overwogen, onderzoekers moeten aantonen dat koolstofnanobuisjes niet giftig zijn, vooral omdat ze niet biologisch afbreekbaar zijn en waarschijnlijk lang in het lichaam zullen blijven. Hij merkt op dat zelfs als de koolstofmaterialen zelf veilig zijn, het fabricageproces voor nanobuisjes sporen van giftige metaalkatalysatoren kan achterlaten.
Khademhosseini zegt dat het eerste gebruik van de materialen mogelijk is in biologische machines die worden gebruikt om giftige omgevingen te beoordelen en te herstellen of om gebouwen te repareren. Vorig jaar toonden onderzoekers aan: vrij zwemmende kwallen -achtige robots en wandelende biologische machines opgebouwd uit hartweefsels en polymeren. Maar zonder geleidende materialen zijn hun toepassingen beperkt, zegtRashid Bashir, een bio-ingenieur aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die de lopende robot maakte. Als je het basismateriaal kunt modelleren, kun je binnen circuits maken, zegt hij.