Мы двигаемся благодаря координации между многими волокнами скелетных мышц, все они сокращаются и растягиваются синхронно. В то время как одни мышцы работают в одном направлении, другие образуют сложные узоры, помогая частям тела двигаться разными способами.
В последние годы ученые и инженеры рассматривают мышцы как потенциальные приводные механизмы для “биогибридных” роботов — машин, приводимых в действие мягкими, искусственно выращенными мышечными волокнами. Такие биороботы могли бы извиваться и вилять в пространстве там, где не могут передвигаться традиционные машины. Однако по большей части исследователям удавалось создавать искусственные мышцы, которые тянутся только в одном направлении, ограничивая диапазон движений любого робота.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали метод выращивания искусственной мышечной ткани, которая сокращается и сгибается в нескольких скоординированных направлениях. В качестве демонстрации они вырастили искусственную мышечную структуру, которая растягивается как концентрически, так и радиально, во многом подобно тому, как радужная оболочка человеческого глаза расширяет и сужает зрачок.
Исследователи изготовили искусственную радужную оболочку, используя разработанный ими новый метод “тиснения”. Сначала они напечатали на 3D-принтере небольшой ручной штамп с микроскопическими углублениями, каждое из которых размером с отдельную ячейку. Затем они вдавили штамп в мягкий гидрогель и заполнили полученные углубления настоящими мышечными клетками. Клетки росли вдоль этих углублений внутри гидрогеля, образуя волокна. Когда исследователи стимулировали волокна, мышца сокращалась в нескольких направлениях, следуя ориентации волокон.
“Мы считаем, что благодаря дизайну iris мы продемонстрировали первого робота, работающего на скелетных мышцах, который генерирует усилие в нескольких направлениях. Это стало возможным благодаря уникальному подходу stamp”, — говорит Риту Раман, профессор тканевой инженерии факультета машиностроения Массачусетского технологического института.
Команда разработчиков утверждает, что штамп может быть напечатан с помощью настольных 3D-принтеров и снабжен различными узорами микроскопических бороздок. Штамп может быть использован для выращивания сложных структур мышц и, возможно, других типов биологических тканей, таких как нейроны и клетки сердца, которые выглядят и действуют как их естественные аналоги.
“Мы хотим создавать ткани, которые повторяют архитектурную сложность реальных тканей”, — говорит Раман. “Для этого вам действительно нужна такая точность при изготовлении”.
Она и ее коллеги опубликовали свои результаты в открытом доступе в пятницу в журнале Biomaterials Science. Ее соавторами в Массачусетском технологическом институте являются первый автор Тамара Росси, Лаура Швендеман, Соника Кохли, Махира Бава и Паванкумар Умашанкар, а также Рой Хабба, Орен Чайчиян и Айелет Лесман из Тель-Авивского университета в Израиле.
Тренировочное пространство
Лаборатория Раман в Массачусетском технологическом институте стремится создавать биологические материалы, которые имитируют чувствительность, активность и отзывчивость реальных тканей организма. В целом, ее группа стремится применять эти биоинженерные материалы в различных областях — от медицины до машиностроения. Например, она хочет создать искусственную ткань, которая сможет восстанавливать функции у людей с нервно-мышечными повреждениями. Она также изучает искусственные мышцы для использования в мягкой робототехнике, например, в пловцах с мышечным приводом, которые передвигаются по воде с рыбьей гибкостью.
Ранее Раман разработала тренажерные платформы и программы тренировок для выращенных в лаборатории мышечных клеток. Она и ее коллеги разработали гидрогелевый “коврик”, который стимулирует рост мышечных клеток и их слияние в волокна без отслаивания. Она также разработала способ “тренировать” клетки, с помощью генной инженерии научив их сокращаться в ответ на световые импульсы. Кроме того, ее группа разработала способы заставить мышечные клетки расти длинными параллельными линиями, похожими на естественные поперечнополосатые мышцы. Однако для ее группы и других специалистов было сложной задачей создать искусственную мышечную ткань, которая двигалась бы в нескольких предсказуемых направлениях.
“Одна из замечательных особенностей натуральных мышечных тканей заключается в том, что они не направлены только в одном направлении. Возьмем, к примеру, круговую мускулатуру радужной оболочки глаза и вокруг трахеи. И даже в наших руках и ногах мышечные клетки расположены не прямо, а под углом”, — отмечает Раман. “Естественные мышцы имеют несколько ориентаций в тканях, но мы не смогли воспроизвести это в наших искусственных мышцах”.
Схема мышц
Размышляя о способах наращивания разнонаправленной мышечной ткани, команда пришла к удивительно простой идее: штампы. Частично вдохновленная классической формой для желе, команда разработала марку с микроскопическими узорами, которые можно было бы нанести на гидрогель, по аналогии с матами для тренировки мышц, разработанными ранее. Затем узоры на отпечатанном коврике могли бы служить дорожной картой, по которой мышечные клетки могли бы следовать и расти.
“Идея проста. Но как создать штамп с элементами размером всего в одну ячейку? И как можно напечатать что-то очень мягкое? Этот гель намного мягче, чем желе, и его действительно трудно отлить, потому что он может легко порваться”, — говорит Раман.
Команда пробовала различные варианты дизайна марок и в итоге остановилась на подходе, который сработал на удивление хорошо. Исследователи изготовили небольшой ручной штамп, используя высокоточное печатное оборудование MIT.nano, что позволило им напечатать на нижней части штампа сложные узоры из бороздок, каждая шириной с отдельную мышечную клетку. Перед тем как запрессовать марку в гидрогелевый мат, они покрыли нижнюю часть белком, который помог марке равномерно отпечататься в геле и отслоиться, не прилипая и не разрываясь.
В качестве демонстрации исследователи напечатали штамп с рисунком, похожим на микроскопическую мускулатуру радужной оболочки глаза человека. Радужная оболочка состоит из мышечного кольца, окружающего зрачок. Это мышечное кольцо состоит из внутреннего круга мышечных волокон, расположенных концентрически по кругу, и внешнего круга волокон, которые расходятся в радиальном направлении, подобно солнечным лучам. В совокупности эта сложная структура способствует сужению или расширению зрачка.
Как только Раман и ее коллеги запечатлели рисунок радужной оболочки глаза на гидрогелевом коврике, они покрыли его клетками, которые они генетически сконструировали так, чтобы они реагировали на свет. В течение дня клетки попадали в микроскопические углубления и начинали срастаться в волокна, повторяя рисунок радужной оболочки и в конечном итоге превращаясь в целую мышцу, архитектура и размер которой были похожи на настоящую радужную оболочку.
Когда команда ученых стимулировала искусственную радужную оболочку импульсами света, мышца сокращалась в нескольких направлениях, подобно радужной оболочке человеческого глаза. Раман отмечает, что искусственная радужная оболочка глаза изготовлена из клеток скелетных мышц, которые участвуют в произвольных движениях, в то время как мышечная ткань настоящей радужной оболочки человека состоит из гладкомышечных клеток, которые являются одним из видов непроизвольной мышечной ткани. Они решили расположить клетки скелетных мышц в виде радужной оболочки глаза, чтобы продемонстрировать способность создавать сложную, разнонаправленную мышечную ткань.
“В этой работе мы хотели показать, что можем использовать этот стандартный подход для создания ”робота», который может делать то, что не под силу предыдущим роботам с мускульным приводом», — говорит Раман. “Мы решили работать с клетками скелетных мышц. Но ничто не мешает вам проделать это с любым другим типом клеток”.
Она отмечает, что, хотя команда использовала методы точной печати, дизайн штампа также может быть выполнен с помощью обычных настольных 3D-принтеров. В дальнейшем она и ее коллеги планируют применить метод штамповки к другим типам клеток, а также изучить различные структуры мышц и способы активации искусственных разнонаправленных мышц для выполнения полезной работы.
“Вместо использования жестких приводов, которые обычно используются в подводных роботах, если мы сможем использовать мягких биологических роботов, мы сможем перемещаться и быть намного более энергоэффективными, а также полностью биоразлагаемыми и экологичными”, — говорит Раман. “Это то, к чему мы надеемся стремиться”.
Источник: MIT
