3D-udskrivning af den første biomimetiske tungeoverflade nogensinde

Forskere har skabt syntetiske bløde overflader med tungelignende teksturer for første gang ved hjælp af 3D-udskrivning, åbning af nye muligheder for at teste fødevarers orale forarbejdningsegenskaber, ernæringsteknologier, medicin og tør mundbehandling.

Britiske forskere under ledelse af University of Leeds i samarbejde med University of Edinburgh har replikeret det meget sofistikerede overfladedesign af en menneskelig tunge og demonstreret, at deres trykte syntetiske silikone struktur efterligner topologien, elasticitet og befugtning af tungens overflade.

Disse faktorer er medvirkende til, hvordan mad eller spyt interagerer med tungen, hvilket igen kan påvirke mundfølelsen, synke, tale, ernæringsindtag og livskvalitet.

En biomimetisk tunge hjælper udviklere med at udføre screening af nydesignede produkter og fremskynde de nye udviklingsprocesser uden behov for menneskelige forsøg på tidlige stadier, der ofte er meget dyre og tidskrævende.

Især, siden starten på COVID-19-pandemien, social distancering har udgjort betydelige udfordringer for at udføre sådanne sensoriske forsøg og forbrugertest. En biomimetisk tunge vil være enormt nyttig til at øge produktiviteten i udviklingen og reducere producenternes afhængighed af menneskelige forsøg i de tidlige stadier.

En biomimetisk tunge kunne yderligere tilbyde utallige applikationer til at bekæmpe forfalskning i mad og andre oralt administrerede lægemidler, uanset om teksturelle egenskaber er styrende funktioner og kan spare enorme økonomiske tab.

Tungens biologiske overflades komplekse natur har givet udfordringer i kunstig replikation, tilføjer store hindringer for udviklingen og screeningen af ​​effektive langvarige behandlinger eller behandlinger for mundtørhedssyndrom-cirka 10% af den generelle befolkning og 30% af ældre mennesker lider af mundtørhed.

Undersøg hovedforfatter, Dr. Efren Andablo-Reyes udførte denne forskning, mens han var postdoktor ved School of Food Science and Nutrition i Leeds. Han sagde:"At genskabe overfladen af ​​en gennemsnitlig menneskelig tunge har unikke arkitektoniske udfordringer. Hundredvis af små knoppelignende strukturer kaldet papilla giver tungen dens karakteristiske ru struktur, der i kombination med vævets bløde natur skaber et kompliceret landskab fra en mekanisk perspektiv.

"Vi fokuserede vores opmærksomhed på den forreste dorsale del af tungen, hvor nogle af disse papiller indeholder smagsreceptorer, mens mange af dem mangler sådanne receptorer. Begge slags papiller spiller en afgørende rolle for at tilvejebringe den rigtige mekaniske friktion til at hjælpe fødevareforarbejdning i munden med tilstrækkelig mængde spyt, giver behagelig mundfølelse og korrekt smøring til at synke.

"Vi havde til formål at replikere disse mekanisk relevante egenskaber ved det menneskelige tunge på en overflade, der er let at bruge i laboratoriet til at replikere orale behandlingsbetingelser."

Undersøgelsen, der samlede unik ekspertise inden for madkolloidvidenskab, blød stof fysik, tandpleje, maskinteknik og datalogi offentliggøres i dag i tidsskriftet ACS -anvendte materialer og grænseflader .

Holdet tog silikoneindtryk af tungeoverflader fra femten voksne. Indtrykkene blev 3D-optisk scannet for at kortlægge papillestørrelser, densitet og den gennemsnitlige ruhed af tungerne. Strukturen af ​​en menneskelig tunge viste sig at ligne et tilfældigt layout.

Teamet brugte computersimuleringer og matematisk modellering til at skabe en 3D-trykt kunstig overflade til at fungere som en form, der indeholder brønde med form og dimensioner af de forskellige papiller tilfældigt fordelt over overfladen med den rigtige densitet. Dette blev kopistøbt mod elastomerer med optimeret blødhed og befugtning.

University of Edinburgh medforfatter, Rik Sarkar fra School of Informatics sagde:"Tilfældigheden i fordelingen af ​​papiller ser ud til at spille en vigtig sensorisk rolle for tungen.

"Vi definerede et nyt koncept kaldet kollisionssandsynlighed for at måle mekanosensering, der vil have stor indflydelse på dette område. I fremtiden vil Vi vil bruge en kombination af maskinlæring og beregningstopologi til at skabe tunge -modeller af forskellige raske og syge individer til at behandle forskellige mundtlige tilstande. "

Den kunstige overflade blev derefter 3D-trykt ved hjælp af digital lysbehandlingsteknologi baseret på School of Mechanical Engineering i Leeds.

Teamet kørte en række eksperimenter med forskellige komplekse væsker for at sikre, at den trykte overflades befugtning - hvordan en væske holder kontakten og spreder sig over en overflade - og smøreydelsen var den samme som menneskets tungeindtryk.

Medforfatter Dr. Michael Bryant fra School of Mechanical Engineering i Leeds sagde:"Anvendelsen af ​​bio-tribologiske principper, undersøgelse af friktion og smøring, i skabelsen af ​​denne tungelignende overflade er et vigtigt skridt fremad på dette område.

"Evnen til at producere præcise kopier af tungeoverflader med lignende struktur og mekaniske egenskaber vil hjælpe med at strømline forskning og udvikling til mundpleje, fødevarer og terapeutiske teknologier. "

Hovedforsker Anwesha Sarkar, Professor i kolloider og overflader i Leeds, sagde:"Nøjagtigt at kortlægge og replikere tungernes overflade og kombinere det med et materiale, der tilnærmer elasticiteten af ​​menneskelig tunge, var ikke en lille opgave. At udnytte ekspertise fra flere STEM -discipliner, Vi har demonstreret en enestående evne til en 3D-trykt silikoneoverflade til at efterligne den mekaniske ydeevne på menneskets tunge.

"Vi mener, at fremstilling af en syntetisk overflade med relevante egenskaber, der efterligner de indviklede arkitektoniske træk, og endnu vigtigere er smøreevnen for den menneskelige tunge altafgørende for at opnå kvantitativ forståelse af, hvordan væsker interagerer i mundhulen.

"Denne biomimetiske tungeoverflade kan også tjene som et unikt mekanisk værktøj til at hjælpe med at opdage forfalskning i mad og værdifulde drikkevarer baseret på teksturelle egenskaber, som er en global bekymring og kan bidrage til at sikre fødevaresikkerheden.

"Ultimativt, vores håb er, at den overflade, vi har designet, kan være vigtig for at forstå, hvordan tungenes biomekanik understøtter det grundlæggende ved menneskelig fodring og tale.