Nanofibergarn giver stretch, beskyttende kunstigt væv

Den menneskelige krop holdes sammen af ​​et indviklet kabelsystem af sener og muskler, udviklet af naturen til at være sej og meget strækbar. En skade på et af disse væv, især i et større led som skulder eller knæ, kan kræve kirurgiske reparationer og uger med begrænset mobilitet for fuldt ud at hele.

Nu er MIT-ingeniører kommet med et vævsteknisk design, der kan muliggøre fleksibelt bevægelsesområde i skadede sener og muskler under heling.

Holdet har konstrueret små spoler foret med levende celler, som de siger kunne fungere som strækbare stilladser til reparation af beskadigede muskler og sener. Spolerne er lavet af hundredtusindvis af biokompatible nanofibre, stramt snoet i spoler, der ligner miniature nautiske reb, eller garn.

Forskerne har belagt garnet med levende celler, herunder muskel- og mesenkymale stamceller, som naturligt vokser og tilpasser sig langs garnet, ind i mønstre, der ligner muskelvæv. Forskerne fandt ud af, at garnets oprullede konfiguration hjælper med at holde celler i live og vokse, selvom holdet strakte og bøjede garnet flere gange.

I fremtiden, forskerne forestiller sig, at læger kunne fore patienters beskadigede sener og muskler med dette nye fleksible materiale, som ville være belagt med de samme celler, som udgør det skadede væv. "Garnets" strækbarhed kan hjælpe med at opretholde en patients bevægelsesområde, mens nye celler fortsætter med at vokse for at erstatte det skadede væv.

"Når du reparerer muskler eller sener, du er virkelig nødt til at rette op på deres bevægelser i en periode, ved at bære en støvle, for eksempel, " siger Ming Guo, assisterende professor i maskinteknik ved MIT. "Med dette nanofibergarn, håbet er, du skal ikke have sådan noget på."

Guo og hans kolleger offentliggjorde deres resultater i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . Hans MIT medforfattere er Yiwei Li, Yukun Hao, Satish Gupta, og Jiliang Hu. Holdet inkluderer også Fengyun Guo, Yaqiong Wang, Nu Wang, og Yong Zhao, fra Beihang Universitet.

Sidder fast på tyggegummi

Det nye nanofibergarn er delvist inspireret af gruppens tidligere arbejde med hummermembraner, hvor de fandt krebsdyrets hårde, men alligevel strækbare underliv, skyldes en lagdelt, krydsfinerlignende struktur. Hvert mikroskopisk lag indeholder hundredtusindvis af nanofibre, alle justeret i samme retning, i en vinkel, der er lidt forskudt fra laget lige over og under.

Nanofibrenes præcise justering gør hvert enkelt lag meget strækbart i den retning, fibrene er arrangeret i. Guo, hvis arbejde fokuserer på biomekanik, så hummerens naturlige elastiske mønstre som en inspiration til at designe kunstigt væv, især til områder med høj stræk på kroppen, såsom skulder og knæ.

Guo siger, at biomedicinske ingeniører har indlejret muskelceller i andre strækbare materialer såsom hydrogeler, i forsøg på at skabe fleksible kunstige væv. Imidlertid, mens hydrogelerne selv er strækbare og seje, de indlejrede celler har en tendens til at snappe, når de strækkes, som silkepapir, der sidder fast på et stykke tyggegummi.

"Når du stort set deformerer et materiale som hydrogel, det vil blive strakt fint, men cellerne kan ikke tage det, " siger Guo. "En levende celle er følsom, og når du strækker dem, de dør."

Læ i en slinky

Forskerne indså, at blot at overveje strækbarheden af ​​et materiale ikke ville være nok til at designe et kunstigt væv. Dette materiale skal også være i stand til at beskytte cellerne mod de alvorlige belastninger, der opstår, når materialet strækkes.

Holdet kiggede på faktiske muskler og sener for yderligere inspiration, og observerede, at vævene er lavet af strenge af justerede proteinfibre, viklet sammen for at danne mikroskopiske helixer, langs hvilke muskelceller vokser. Det viser sig at, når proteinspiralerne strækker sig ud, muskelcellerne roterer simpelthen, som små stykker silkepapir, der sidder fast på en slinky.

Guo søgte at kopiere dette naturlige, strækbar, cellebeskyttende struktur som et kunstigt vævsmateriale. For at gøre det, holdet skabte først hundredtusindvis af justerede nanofibre, ved hjælp af elektrospinning, en teknik, der bruger elektrisk kraft til at spinde ultratynde fibre ud fra en opløsning af polymer eller andre materialer. I dette tilfælde, han genererede nanofibre lavet af biokompatible materialer såsom cellulose.

Holdet bundtede derefter justerede fibre sammen og snoede dem langsomt for først at danne en spiral, og så en endnu strammere spole, i sidste ende ligner garn og måler omkring en halv millimeter bredt. Endelig, de såede levende celler langs hver spole, herunder muskelceller, mesenkymale stamceller, og humane brystkræftceller.

Forskerne strakte derefter gentagne gange hver spole op til seks gange dens oprindelige længde, og fandt ud af, at størstedelen af ​​cellerne på hver spiral forblev i live og fortsatte med at vokse, mens spiralerne blev strakt. Interessant nok, når de såede celler på løsere, spiralformede strukturer lavet af de samme materialer, de fandt ud af, at celler var mindre tilbøjelige til at forblive i live. Guo siger, at strukturen af ​​de strammere spoler ser ud til at "beskytte" celler mod beskadigelse.

Fremadrettet, gruppen planlægger at fremstille lignende spoler af andre biokompatible materialer såsom silke, som i sidste ende kunne sprøjtes ind i et skadet væv. Spolerne kunne give en midlertidig, fleksibelt stillads, så nye celler kan vokse. Når cellerne har repareret en skade, stilladset kan opløses væk.

"Vi kan måske en dag indlejre disse strukturer under huden, og [coil]-materialet ville til sidst blive fordøjet, mens de nye celler bliver siddende, " siger Guo. "Det gode ved denne metode er, det er virkelig generelt, og vi kan prøve forskellige materialer. Dette kan skubbe grænsen for vævsteknologi meget."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.