Umjetni mišić savija se u više smjerova

Krećemo se zahvaljujući koordinaciji među mnogim skeletnim mišićnim vlaknima, koja se trzaju i povlače sinkronizirano. Dok se neki mišići usklađuju u jednom smjeru, drugi formiraju zamršene obrasce, pomažući dijelovima tijela da se kreću na više načina.

Posljednjih su godina znanstvenici i inženjeri gledali na mišiće kao na potencijalne pokretače za biohibridnerobote, strojeve koje pokreću mekana, umjetno uzgojena mišićna vlakna. Takvi bio-botovi mogli bi se migoljiti kroz prostore gdje tradicionalni strojevi ne mogu.

Međutim, istraživači su do sada uspjeli proizvesti samo umjetni mišić koji vuče u jednom smjeru, ograničavajući raspon kretanja bilo kojeg robota.

Sada su inženjeri MIT-a razvili metodu za uzgoj umjetnog mišićnog tkiva koje se trza i savija u više koordiniranih smjerova. Kao demonstraciju, uzgojili su umjetnu strukturu pokretanu mišićima koja vuče i koncentrično i radijalno, slično kao što šarenica u ljudskom oku djeluje tako da širi i sužava zjenicu.

Istraživači su izradili umjetnu šarenicu koristeći novi pristup "žigosanja" koji su razvili. Prvo su 3D ispisali mali ručni pečat s uzorkom mikroskopskih utora, od kojih je svaki bio malen poput jedne ćelije. Zatim su utisnuli pečat u mekani hidrogel i zasijali dobivene brazde pravim mišićnim stanicama. Stanice su rasle duž ovih utora unutar hidrogela, tvoreći vlakna. Kad su istraživači stimulirali vlakna, mišić se kontrahirao u više smjerova, prateći orijentaciju vlakana.

"Vjerujemo da smo s dizajnom šarenice pokazali prvog robota pokretanog skeletnim mišićima koji generira silu u više od jednog smjera. To je jedinstveno omogućeno ovim pristupom pečata," kaže Ritu Raman, profesorica tkivnog inženjerstva na Odjelu za strojarstvo MIT-a i glavna autorica rada objavljenog u časopisu Biomaterials Science.

Tim kaže da se pečat može ispisati pomoću stolnih 3D pisača i opremiti različitim uzorcima mikroskopskih utora. Pečat se može koristiti za uzgoj složenih uzoraka mišića i potencijalno drugih vrsta bioloških tkiva, kao što su neuroni i srčane stanice, koji izgledaju i ponašaju se kao njihovi prirodni dvojnici.

"Želimo napraviti tkiva koja repliciraju arhitektonsku složenost pravih tkiva", kaže Raman. "Da biste to učinili, stvarno vam je potrebna ovakva preciznost u izradi."

Ramanin laboratorij na MIT-u ima za cilj konstruirati biološke materijale koji oponašaju osjet, aktivnost i reakciju stvarnih tkiva u tijelu. Općenito, njezina grupa nastoji primijeniti ove bioinženjerske materijale u područjima od medicine do strojeva. Na primjer, ona želi proizvesti umjetno tkivo koje može vratiti funkciju ljudima s neuromuskularnim ozljedama, a također istražuje umjetne mišiće za upotrebu u mekoj robotici, kao što su plivači na mišićni pogon koji se kreću kroz vodu sa fleksibilnošću poput ribe.

Raman je prethodno razvila nešto što bi se moglo smatrati platformama za teretane i rutinama vježbanja za mišićne stanice uzgojene u laboratoriju. Ona i njezini kolege dizajnirali su hidrogelnu "podlogu" koja potiče mišićne stanice na rast i stapanje u vlakna bez ljuštenja. Također je izvela način za "vježbanje" stanica genetskim inženjeringom da se trzaju kao odgovor na svjetlosne impulse. Njezina je grupa smislila načine kako usmjeriti mišićne stanice da rastu u dugim, paralelnim linijama, slično prirodnim, poprečno-prugastim mišićima.

Razmišljajući o načinima za višesmjerni rast mišićnog tkiva, tim je došao na iznenađujuće jednostavnu ideju: žigove. Djelomično nadahnut klasičnim kalupom Jell-O, tim je pokušao dizajnirati pečat s mikroskopskim uzorcima koji bi se mogli utisnuti u hidrogel, slično podlogama za vježbanje mišića koje je grupa prethodno razvila. Uzorci utisnute prostirke tada bi mogli poslužiti kao putokaz po kojem bi mišićne stanice mogle slijediti i rasti.

Tim je isprobao varijacije dizajna markice i na kraju došao do pristupa koji je funkcionirao iznenađujuće dobro. Istraživači su proizveli mali, ručni pečat pomoću visokopreciznih ispisnih postrojenja, što im je omogućilo ispis zamršenih uzoraka utora, svaki širok otprilike kao jedna mišićna stanica, na dnu pečata. Prije utiskivanja pečata u podlogu od hidrogela, dno su premazali proteinom koji je pomogao da se pečat ravnomjerno utisne u gel i odlijepi bez lijepljenja ili trganja.

Nakon što su Raman i njezini kolege utisnuli uzorak šarenice u hidrogel podlogu, obložili su podlogu stanicama koje su genetski modificirali da reagiraju na svjetlost. U roku od jednog dana, stanice su pale u mikroskopske brazde i počele se spajati u vlakna, prateći uzorke nalik šarenici i na kraju izrastajući u cijeli mišić, s arhitekturom i veličinom sličnom pravoj šarenici.

Kad je tim stimulirao umjetnu šarenicu svjetlosnim impulsima, mišić se kontrahirao u više smjerova, slično šarenici u ljudskom oku. Raman napominje da je timska umjetna šarenica izrađena od stanica skeletnih mišića, koje su uključene u voljno kretanje, dok se mišićno tkivo u pravoj ljudskoj šarenici sastoji od glatkih mišićnih stanica, koje su vrsta nevoljnog mišićnog tkiva. Odlučili su oblikovati stanice skeletnih mišića u šarenici kako bi pokazali sposobnost izrade složenog, višesmjernog mišićnog tkiva.

U budućnosti, ona i njezini kolege planiraju primijeniti metodu žigosanja na druge tipove stanica, kao i istražiti različite mišićne arhitekture i načine aktiviranja umjetnih, višesmjernih mišića za obavljanje korisnog rada.

"Umjesto korištenja krutih pokretača koji su tipični za podvodne robote, ako možemo koristiti meke biološke robote, možemo se kretati i biti puno energetski učinkovitiji, dok smo također potpuno biorazgradivi i održivi", kaže Raman.