Origami inspirerer til ny teknologi til vævsregenerering

Origami – den japanske kunst at folde papir til former og figurer – går tilbage til det sjette århundrede. Hos UMass Lowell, det inspirerer forskere, når de udvikler en 21. århundredes løsning på manglen på vævs- og organdonorer.

Gulden Camci-Unal, en adjunkt i kemiteknik, og hendes team af studerende forskere designer nye biomaterialer, der en dag kan bruges til at reparere, erstatte eller regenerere huden, knogle, brusk, hjerteklapper, hjertemuskler og blodkar, og i andre applikationer.

Brug origami som inspiration, Camci-Unal og hendes team bruger almindeligt papir til at skabe stilladser i centimeter-skala, hvor cellerne kan vokse, og anvender derefter mikrofremstillingsteknikker til at generere nye biomaterialer kendt som vævsmimetik.

"Papir er en lavpris, bredt tilgængeligt og ekstremt fleksibelt materiale, der let kan fremstilles til tredimensionelle strukturer af forskellige former, størrelser og konfigurationer, " sagde Camci-Unal.

Holdet bruger origami-foldet papir til at dyrke knogleceller, kaldet osteoblaster, som producerer den matrix, der bliver deponeret med mineraler for at danne knogle. Papiret kan derefter implanteres til behandling af patienter, herunder dem, der lider af skader forårsaget af sygdom, degeneration eller traumer, eller knogledefekter såsom uregelmæssige størrelser og former.

Indtil nu, holdets forskning viser, at implantaterne er biokompatible – dvs. de forventes ikke at blive afvist af kroppens immunsystem, ifølge Camci-Unal.

Holdet bruger også deres papirbaserede forskning til at lære om lungekræftcellers adfærd.

"Tumorbiopsier fra patienter kan dyrkes i vores system, og så kan disse celler udsættes for forskellige kemoterapilægemidler eller stråledoser for at finde ud af, hvilken specifik behandling der ville fungere bedst for patienten, " sagde Camci-Unal, som sluttede sig til UMass Lowells fakultet i 2016.

Forskergruppen Camci-Unal udvikler også lavpris, papirbaserede platforme til point-of-care sygdomsdiagnostik. Deres biosensorer kan bruges til at afgøre, om en patient har en specifik sygdom.

Ud over papir, Camci-Unal og hendes team bruger hydrogeler – fleksible, squishy materialer, der ligner Jell-O og er fremstillet for det meste af vand - i vævsrelateret forskning for en række til en række forskellige anvendelser, herunder sårpleje.

"Deres fysiske, kemiske og biologiske egenskaber kan skræddersyes til at passe i forskellige vævstekniske applikationer, sagde hun. "Men hydrogeler har relativt svage mekaniske egenskaber, så de plejer ikke at være så nemme at håndtere og manipulere, når de er store, meget tynde lagner."

Ved at kombinere hydrogeler fyldt med celler med ark papir, Camci-Unal er i stand til at skabe tilstrækkeligt stærke støttestrukturer, der kan bruges til vævsteknologi. Andre forskere har udviklet 3D-strukturer fra syntetiske materialer som polymerer, keramik og metaller til dyrkning af celler, men de fleste af disse traditionelle materialer minder ikke meget om omgivelserne i hjemmehørende væv, forklarede hun.

"Vores team begyndte for nylig at blive involveret i forskning om sårheling, også. Vores ultimative mål er at forbedre menneskers sundhed og livskvalitet, " sagde Camci-Unal.

Camci-Unal og tre af hendes studerende – biologi major Kierra Walsh fra Billerica og Xinchen Wu og Sanika Suvarnapathaki, både af Lowell og Ph.D. studerende i biomedicinsk teknik og bioteknologi - diskuterede brugen af ​​papirbaserede, 3-D platforme til cellekulturer og andre biomedicinske applikationer i en artikel fra 24. januar i MRS kommunikation , et peer-reviewed akademisk tidsskrift, der bruges af forskere verden over til hurtig formidling af gennembrud inden for materialevidenskab.