Όταν ασκείτε πίεση στο δέρμα σας, ο υποκείμενος ιστός σκληραίνει προσωρινά ως απόκριση. Εάν κοπείτε, ο ιστός σταδιακά επουλώνεται. Αυτές οι φαινομενικά απλές αντιδράσεις έχουν αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθούν με συνθετικά υλικά. Τώρα, οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Penn State έκαναν ένα σημαντικό βήμα, αναπτύσσοντας υδρογέλες που μπορούν πραγματικά να μιμηθούν αυτές τις πολύπλοκες συμπεριφορές των ιστών.

Οι ιστοί του ανθρώπινου σώματος υποστηρίζονται από ένα περίπλοκο ικρίωμα που ονομάζεται εξωκυττάρια μήτρα (ECM). Αυτό το φυσικό πλαίσιο παρέχει δομική υποστήριξη για τα κύτταρα και βοηθά τους ιστούς να διατηρούν το σχήμα και τη λειτουργία τους. Όταν ασκείται πίεση ή καταπόνηση σε υγιή ιστό, η ECM ανταποκρίνεται με προσωρινή ακαμψία, μια ιδιότητα που συμβάλλει στην προστασία των οργάνων και των ιστών μας από βλάβες. Επιπλέον, οι ιστοί μπορούν να αποκαταστήσουν μικρές βλάβες μέσω φυσικών διαδικασιών επούλωσης.

Στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό «Materials Horizons», οι ερευνητές βρήκαν έναν τρόπο να αναδημιουργήσουν αυτές τις εξελιγμένες βιολογικές ιδιότητες σε υλικά που κατασκευάζονται στο εργαστήριο.

«Αναπτύξαμε ένα υλικό χωρίς κύτταρα που μιμείται δυναμικά τη συμπεριφορά των ECM, τα οποία είναι βασικά δομικά στοιχεία των ιστών των θηλαστικών που είναι ζωτικής σημασίας για τη δομή των ιστών και τις λειτουργίες των κυττάρων», εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Αμίρ Σέικι, αναπληρωτής καθηγητής χημικής μηχανικής στο Penn State.

Η δημιουργία συνθετικών υλικών ικανών να αναπαράγουν αυτές τις περίπλοκες συμπεριφορές έχει αποδειχθεί σημαντική πρόκληση. Προηγούμενες προσπάθειες με χρήση συνθετικών υδρογελών έχουν αποτύχει καθώς δεν μπορούσαν να μιμηθούν επαρκώς τον τρόπο με τον οποίο οι φυσικοί ιστοί ανταποκρίνονται στις μηχανικές δυνάμεις διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα για αυτοθεραπεία.

Η ερευνητική ομάδα έλυσε αυτό το πρόβλημα αναπτύσσοντας αυτό που αποκαλούν «LivGels» χρησιμοποιώντας έναν καινοτόμο συνδυασμό φυσικών υλικών. Ξεκίνησαν με αλγινικό οξύ (αλγίνη), μια οργανική χημική ένωσηπου βρίσκεται στα φαιοφύκη και το τροποποίησαν για να δημιουργήσουν ένα ευέλικτο δίκτυο. Στη συνέχεια, κατασκεύασαν ειδικά νανοσωματίδια από τροποποιημένη κυτταρίνη ξυλοπολτού. Αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια, που ονομάζονται nLinkers, έχουν σχήμα ράβδου με ειδικές μοριακές «τρίχες» στα άκρα τους που μπορούν να σχηματίσουν αναστρέψιμους χημικούς δεσμούς.

Τα σωματίδια nLinker λειτουργούν ως δυναμικά σημεία σύνδεσης μέσα στο δίκτυο γέλης. Όταν ασκείται πίεση στη γέλη, αυτοί οι σύνδεσμοι μπορεί να σπάσουν προσωρινά και να αναμορφωθούν, επιτρέποντας στο υλικό να γίνει πιο άκαμπτο ως απόκριση στην καταπόνηση. Σε περίπτωση βλάβης, αυτές οι αναστρέψιμες συνδέσεις διευκολύνουν τους μηχανισμούς αυτοθεραπείας.

Μέσω δοκιμών, οι ερευνητές απέδειξαν ότι μπορούσαν να ελέγξουν τις ιδιότητες της γέλης προσαρμόζοντας δύο βασικούς παράγοντες: τη συγκέντρωση των σωματιδίων nLinker και τον αριθμό των ιόντων ασβεστίου που πρόσθεσαν για τη δημιουργία επιπλέον σημείων σύνδεσης. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να δημιουργήσουν γέλες με διαφορετικά επίπεδα ακαμψίας και απόκρισης ώστε να ταιριάζουν με διάφορους τύπους ανθρώπινου ιστού- από μαλακό εγκεφαλικό ιστό έως πιο σφιχτό μυϊκό ιστό.

Ποιες θα μπορούσαν να είναι οι εφαρμογές αυτού του υλικού

Στην αναγεννητική ιατρική, αυτά τα νέα υλικά θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως ικριώματα για την επισκευή και την αναγέννηση των ιστών, παρέχοντας στα κύτταρα ένα περιβάλλον που μιμείται καλύτερα τους ανθρώπινους φυσικούς ιστούς. Επιπλέον, αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να δημιουργήσουν πιο ρεαλιστικά μοντέλα ιστών για τη δοκιμή νέων φαρμάκων. Θα μπορούσαν επίσης να επιτρέψουν την ανάπτυξη βελτιωμένων χειρουργικών υλικών και επιδέσμων που προάγουν ενεργά την επούλωση των τραυμάτων.

Πέρα από τις ιατρικές εφαρμογές, αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να προωθήσουν τον τομέα της μαλακής ρομποτικής, επιτρέποντας τη δημιουργία ρομπότ με εξαρτήματα που θα μπορούν να ρυθμίζουν τα επίπεδα ακαμψίας τους ανάλογα με τις ανάγκες και να αυτό-επισκευάζονται.

«Τα επόμενα βήματά μας περιλαμβάνουν τη βελτιστοποίηση των LivGels για συγκεκριμένους τύπους ιστών, την εξερεύνηση εφαρμογών in vivo για την αναγεννητική ιατρική, την ενσωμάτωση των LivGels σε πλατφόρμες τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης και τη διερεύνηση δυνατοτήτων σε δυναμικές φορητές ή εμφυτεύσιμες συσκευές», καταλήγει ο ερευνητής.

Αν και θα πρέπει να γίνουν εκτεταμένες δοκιμές πριν από την κλινική χρήση των υδρογελών, αυτό το επίτευγμα δείχνει πώς η κατανόηση των φυσικών βιολογικών συστημάτων μπορεί να οδηγήσει στην καινοτομία στην επιστήμη των υλικών.

ΠΗΓΗ: Studyfinds