חומר ביולוגי שיכול לחקות התנהגויות מסוימות ברקמות ביולוגיות יכול לקדם רפואה רגנרטיבית, דוגמנות מחלות, רובוטיקה רכה ועוד, על פי חוקרים בפן סטייט.
חומרים שנוצרו עד לנקודה זו כדי לחקות רקמות ומטריצות חוץ -תאיות (ECM) – הפיגום הביולוגי של הגוף של חלבונים ומולקולות המקיפות ותמיכה ברקמות ותאים – היו כולם מגבלות שמפגיעות ביישומים המעשיים שלהם, לפי הצוות. כדי להתגבר על כמה מהמגבלות הללו, החוקרים פיתחו חומר "חי" מבוסס ביו, המקיף תכונות לריפוי עצמי ומחקה את התגובה הביולוגית של ECMs ללחץ מכני.
הם פרסמו את תוצאותיהם ב אופקי חומריםשם הוצג המחקר גם על שער העיתון.
פיתחנו חומר נטול תאים – או אקלולריים, המחקה באופן דינמי את התנהגות ה- ECMs, שהם אבני בניין מרכזיות של רקמות יונקים החשובות למבנה הרקמות ותפקודי התא. "
אמיר שייחי, סופר מקביל, פרופסור חבר להנדסה כימית ודורותי פוהר האק וג'יי לויד האק יו"ר הקריירה המוקדמת בביו -חומרים והנדסה רגנרטיבית
לטענת החוקרים, איטרציות קודמות של החומר שלהם – הידרוג'ל, או רשת פולימרים עשירה במים – היו סינתטיים וחסריו את השילוב הרצוי של היענות מכנית וחיקוי ביולוגי של ECMs.
"באופן ספציפי, חומרים אלה צריכים לשכפל את ההרידה של זנים לא לינאריים, וזה כאשר רשתות ECM מתקשחות תחת זן הנגרמות על ידי כוחות פיזיים המופעלים על ידי תאים או גירויים חיצוניים", אמר שייחי, והסביר להרידת זן לא לינארית חשוב למתן תמיכה מבנית ומאפשר תאים איתות. "החומרים צריכים גם לשכפל את תכונות הריפוי העצמי הנחוצות למבנה הרקמות והישרדות. הידרוגלים סינתטיים קודמים התקשו באיזון המורכבות של חומרים, תאימות ביולוגית וחיקוי מכני של ECM."
הצוות התייחס למגבלות אלה על ידי פיתוח הידרוגלים חיים ננו -קומפוזיטים אצט -תאי (Livgels) העשויים חלקיקים "שעירים". חלקיקי הננו מורכבים מננו -גבישים, או "nlinkers", עם שרשראות תאית מופרעות, או "שערות", בקצוות. שערות אלה מציגות אניסוטרופיה, כלומר ל- Nlinkers יש תכונות שונות בהתאם לכיוון הכיוון שלהם ומאפשרות קשר דינאמי עם רשתות ביו -פולימריות. במקרה זה, חלקיקי הננו קשורים למטריצה ביו -פולימרית של אלגינט שונה, שהיא פוליסכריד טבעי שנמצא באצות חומות.
"נלינקים אלה יוצרים קשרים דינמיים בתוך המטריצה המאפשרים התנהגות מעוררת זן, כלומר לחקות את תגובת ה- ECM ללחץ מכני; ותכונות ריפוי עצמי, המשחזרות את היושרה לאחר נזק", אמר שיידי וציין כי החוקרים השתמשו בבדיקה ריאולוגית, המודד כיצד חומר מתנהג תחת גורמי לחץ שונים, כדי למדוד עד כמה מהירות החליפו את המבנה שלהם לאחר מתח גבוה. "גישה עיצובית זו אפשרה כוונון עדין של התכונות המכניות של החומר כדי להתאים לאלה של ECM טבעי."
באופן ביקורתי, אמר שייחי, חומר זה עשוי כולו מחומרים ביולוגיים ונמנע מפולימרים סינתטיים עם בעיות ביולוגיות פוטנציאליות. מעבר למפחית את המגבלות של חומרים שפותחו בעבר, Livgels משיגים את התכונות הכפולות של מכניקה לא לינארית וריפוי עצמי מבלי להקריב את היושרה המבנית. ה- Nlinkers מקלים באופן ספציפי אינטראקציות דינאמיות המאפשרות שליטה מדויקת על נוקשות ותכונות הרעמת מתח. ביחד, גישת העיצוב ממירה הידרוגלים סטטיים בכמויות גדולות להידרוגלים דינמיים המחקים מקרוב ECMs.
היישומים הפוטנציאליים כוללים פיגומים לתיקון והתחדשות רקמות ברפואה התחדשות, הדמיה של התנהגות רקמות לבדיקת תרופות ויצירת סביבות מציאותיות לחקר התקדמות המחלות. החוקרים אמרו כי ניתן להשתמש בה גם עבור הידרוגלים הניתנים להתאמה אישית ביולוגית תלת מימדית או לפיתוח רובוטיקה רכה עם תכונות מכניות הניתנות להתאמה.
"הצעדים הבאים שלנו כוללים אופטימיזציה של Livgels לסוגי רקמות ספציפיים, בחינת יישומי in vivo לרפואה רגנרטיבית, שילוב של Livgels עם פלטפורמות הדפסת ביו תלת מימדית וחקירת פוטנציאל במכשירים לבישים או מושתלים דינאמיים", אמר שיחי.
רויה קושאני, חוקר הנדסה כימית פוסט-דוקטורט בפן סטייט, וסינא קיירבאדי, מועמד לדוקטורט בהנדסה כימית בפן סטייט, היו מחברים משותפים בעיתון. שייחי קשור גם למחלקות ההנדסה הביו -רפואית, לכימיה ולנוירוכירורגיה, ועם מכוני האק של מדעי החיים.
התמיכה במחקר זה ניתנה על ידי פן סטייט, כולל מ: דורותי פוהר האק וג'יי לויד האק, יו"ר הקריירה המוקדמת; מרכז ההתכנסות למערכות חומרי רב-פונקציונליות חי ומאשכול מצוינות חיים, חומרים אדפטיביים ואנרגיה-אוטונומית, חי חומרים רב-פונקציונליים לחומרים שיתופי פעולה של תכנית מענק זרעים; המכון לחקר חומרים; והמכללה לחומרים הנדסיים חשובים במענקי זרע ברמה האנושית.
