Ученые предложили лечить переломы инъекциями микроботов

Ученые из университета Ланчепинга в Швеции и университета в Японии вдохновились процессами, сопровождающими костный рост, и спроектировали материалы, способные принимать разные формы перед затвердеванием.

Например, после нашего появления на свет в своде черепа остается участок, закрытый податливой соединительной тканью — родничок. Благодаря родничку наш кости головы во время прохождения через родовые пути обратимо деформируются, и все участники процесса обходятся без серьезных травм. А вот уже после появления на свет родничок твердеет, пока окончательно не превращается в прочную кость.

И вот теперь ученые открыли материалы, которые вместе действуют примерно так же, как ткань родничка.

Мы намерены применить результаты открытия в областях, где необходимы материалы, которые в разные моменты времени демонстрируют различные свойства.

Сначала материал податливый и пластичный, а после фиксации на нужном месте буквально костенеет. Например, можно использовать новинку при особо серьезных переломах.

А еще можно задействовать его с микророботами. Например, вводить мягких и пластичных роботов с помощью инъекции в таргетную часть организма, где они самостоятельно распакуются и затвердеют,

— отметил доцент Эдвин Ягер.

Инновационная идея родилась в ходе научной поездки в Японию. Тогда материаловед Эдвин Ягер встретился с Хироши Камиока и Эмилио Хара, которые занимаются изучением костей. Ученые Страны восходящего солнца открыли некую молекулу, которая активирует костный рост. Так родилась гипотеза: что, если попытаться объединить это открытие с изысканиями Ягера, чтобы получить инновационные материалы с изменчивой жесткостью?

В ходе последующей работы, результаты которой опубликованы в издании Advanced Materials, ученые создали простого микроробота, способного менять физические состояния — форму и жесткость. В работу ученые взяли альгинат — материал, внешне и свойствами похожий на гель. С одной стороны геля вырастили полимер. Этот полимер обладает электроактивными свойствами и под напряжением меняется в объеме, благодаря чему микроробот деформируется в нужную сторону.

На другой стороне геля ученые закрепили биомолекулы, которые запускают процесс отвердевания. Эти биомолекулы извлекли из мембраны клеток, нужных во время формирования костей. Когда полученную субстанцию поместили в среду клеточной культуры, напоминающей живой организм (в нем даже кальций был и фосфор, как в обычных костях), биологические молекулы активизировали минерализацию геля, который в итоге стал твердым как камень. Вернее как кость, конечно же.

Одно из возможных применений нового открытия — заживление костной ткани. Идея в том, что податливый материал будут вводить в место перелома, где он зафиксируется, станет твердым и послужит базисом для выращивания новой костной ткани.

В ходе эксперимента показали, что материал способен обволакивать участок куриной кости, и искусственная кость, которая образовалась в месте взаимодействия, в дальнейшем росла вместе с живой костной тканью.

С помощью паттернов ученые смогут программировать поведение микророботов под напряжением. Поперечные линии на поверхности материалов приволят к тому, что робот изгибается дугой, а диагональные стимулируют его закручиваться в штопор.

Если мы можем управлять деформациями материала, то сможем заставить микророботов двигаться в предсказуемом направлении и влиять на то, как материал распакуется в сломанной или деформированной кости.

Такое органичное программирование избавит от необходимости разработки какого-либо дополнительного сложного управления,

— заключил Эдвин Ягер.

Сейчас ученые исследуют свойства биоматериала, чтобы лучше понять потенциал и перспективы его взаимодействия с живыми клетками.

17.01.2022