Учените са открили как да предпазят изкуствените тъкани от некроза

Учените са разкрили по какъв начин да предпазят изкуствените тъкани от некроза – решението е ненадейно гастрономично.

Биохибридните роботи съчетават биологичните съставни елементи като мускули, растителни тъкани и даже гъби с небиологични материали. Вече сме се научили да сътворяваме надеждни изкуствени структури, само че към момента е мъчно да поддържаме органичните съставни елементи. Ето за какво роботите, употребяващи биологични мускули, остават дребни и опростени – дълги не повече от няколко сантиметра, с една или две движещи се елементи.

„ Увеличаването размера на биохибридните роботи е предизвикателство заради слабата съкратителна мощ на лабораторно отгледаните мускули, риска от некроза в дебелите мускулни тъкани и компликациите при консолидираното на биологичните задвижващи механизми с изкуствените структури “, изяснява професор Шоджи Такеучи от Токийския университет.

Той и екипът му са създали пълноразмерна, 18-сантиметрова биохибридна ръка, в която всичките пет пръста се задвижват от лабораторно отгледани човешки мускули.

Проблемът с оцеляването

Едно от главните провокации при основаването на огромни биохибридни роботи остава некрозата – клетъчна гибел заради неналичието на О2 и хранителни субстанции. В лабораторията мускулите се отглеждат върху богата на хранителни субстанции среда, която им обезпечава всичко належащо. Докато тъканта остава тънка и плоска, няма проблем – всяка клетка получава задоволително О2.

Но щом мускулите станат по-дебели и мощни, клетките надълбоко в тях губят достъп до питателните субстанции и умират. В живите организми този проблем се взема решение посредством система от кръвоносни съдове, само че в изкуствено отглежданите тъкани към момента не е допустимо да се сътвори такава. Такеучи и екипът му намират заобиколен вид – „ суши ролки “.

Изследователите стартират с развъждането на тънки мускулни нишки, подредени едно до друго в ястие на Петри. Това им дало опция да получават О2 и да останат здрави. Когато мускулите достигнали нужния размер, те били навити в цилиндрични структури, наречени MuMuTAs (multiple muscle tissue actuators).

„ MuMuTA са основани от тънки мускулни пластове, навити в цилиндри, което усъвършенства тяхната контрактилност и разрешава проникването на кислорода “, изяснява Такеучи.

Движението в MuMuTA се провокира от електрически импулси, подавани посредством електроди в краищата. В взаимозависимост от това кои нишки се редуцират, тези „ мускулни ролки “ могат да се огъват или въртят. Интензивността на свиването се управлява посредством смяна на напрежението.

След сполучливите тествания на MuMuTA откривателите започнаха да ги употребяват за ръководство на пръстите на биохибридната ръка.

Камък, ножица, хартия

Ръката е била 3D-принтирана от пластмаса и окачена в течна среда. Всеки пръст се състои от три стави и се управлява посредством кабели, свързани с MuMuTAs, които са ситуирани в предмишницата. За да се сведе до най-малко въздействието на електрическите полета, задвижващите механизми са сложени в стъклени контейнери и по-късно са прикрепени към пластмасова рамка.

Когато откривателите свиват другите MuMuTA, ръката може да извършва разнообразни жестове, в това число знаци от играта „ камък, ножица, хартия “, както и да държи предмети като пипета. Основното преимущество на MuMuTA се оказа тяхната мощ: всеки задвижващ механизъм развива 8 милинютона – задоволително, с цел да повдигне кламер за хартия. Освен това мускулите могат да се разгъват след приложимост, което им дава достъп до кислорода и питателните субстанции, което удължава техния живот.

Но не липсват и дефекти. Първо, пръстите могат да се огъват единствено на една страна – мускулите се свиват, само че би трябвало да разчитат на плавучестта на материала, с цел да се върнат в първичното си състояние. В човешката ръка този проблем е решен посредством антагонистични мускули, работещи по двойки. Такеучи предложи две решения: потребление на еластични материали в ставите за еластично връщане или прибавяне на пет спомагателни MuMuTA за двустранно придвижване.

Вторият проблем е, че ръката може да работи единствено в течна среда. Преместването ѝ в сухи условия би изисквало изкуствена система за доставка на питателните субстанции и защитни структури, които да поддържат жизнеспособността на тъканите.

Но най-явният неуреден проблем за биомускулите остава умората.

Биохибридните роботи се нуждаят от тренировки

По време на тестванията е открито, че при интензивно натоварване силата на стесняване на MuMuTA понижава единствено след няколко минути. След 10 минути работа мускулите се уморяват, а възобновяване лишава към час. В същото време тези тъкани не са изпитвали такива натоварвания като същинските човешки мускули в лабораторията.

Максималната характерна мощ на редуциране, реализирана при опита, е 0,7 милинютона на квадратен милиметър – добра големина за лабораторните мускули, само че единствено към 12% от тази на живата тъкан (6 милинютона на квадратен милиметър).

Такеучи счита, че физическото образование може да бъде решението.

„ Подобно на естествените мускули, изкуствените мускули могат да подобрят издръжливостта и силата си с постоянни извършения “, уверен е той.

Друга опция е да се употребяват химически растежни фактори за усилване на контракциите. Това към този момент наподобява повече на „ допинг “ за биохибридните мускули.

Докато меките роботи и усъвършенстваните протези стават все по-разпространени, комбинацията от жива тъкан и механизми към момента е относително рядка. Областта на биохибридната просвета е в начален етап на развиване, като има единствено няколко образеца, като да вземем за пример изкуствени риби, задвижвани от човешки сърдечни кафези, или роботи, употребяващи за чуване уши от скакалци. Тази нова биохибридна ръка съставлява забележителна стъпка напред в практическото приложение на тази технология.

Работата на Такеучи и неговия екип е оповестена в списание Science Robotics.