Spis treści:
Opracowanie nowej generacji sztucznych mięśni i miękkich nanorobotów ma zrewolucjonizować gojenie się ran, podawanie leków i metody konstruowania nanorobotów. Naukowców zajmują przede wszystkim biomechanika aktywnych systemów biologicznych i konceptualizacja nowych materiałów reagujących na bodźce.
Biomapa 4D
Daleko jeszcze do snu sportowców, w którym mięśnie będą rozwijać się bez ciężkiej pracy, wypoczynku i suplementów, ale miologia rozwija się nieustannie także dzięki naukom towarzyszącym. Sztuczne mięśnie to jeden z długoterminowych celów 4D-BIOMAP, projektu badawczego ERC realizowanego przez Universidad Carlos III de Madrid (UC3M). Projekt rozwija przekrojowe metody bio-magneto-mechaniczne w celu stymulowania i kontrolowania procesów biologicznych takich jak migracja i proliferacja komórek, czyli ich zdolność rozmnażania się, odpowiedź elektrofizjologiczna organizmu oraz powstawanie i rozwój patologii tkanek miękkich.
Nadrzędną ideą projektu jest wpływanie na różne procesy biologiczne na poziomie komórkowym. Mowa tu o gojeniu się ran, synapsach w mózgu lub reakcjach układu nerwowego. Chcemy opracować konkretne zastosowania w praktyce – wyjaśnia główny badacz 4D-BIOMAP Daniel García González z UC3M.
Polimery magnetoaktywne i budowanie mięśni
Od dawna już nie jest tajemnicą, że przyszłość materiałoznawstwa drzemie w tworzywach sztucznych. Nasi dobroczyńcy i jednocześnie ekologiczne kolce w boku, czyli tworzywa sztuczne zawierające polimery, stale poszerzają możliwości, a co za tym idzie – alternatywy zastosowania.
Polimery magnetyczne nie są też czymś zupełnie nowym. W lutym 2002 roku naukowcy z Ohio State University i University of Utah w USA opracowali pierwszy na świecie plastikowy magnes przestrajany światłem. Materiał staje się 1,5 razy bardziej magnetyczny, gdy świeci na niego niebieskie światło. Zielone światło lasera natomiast odwróciło częściowo ten efekt zmniejszając magnetyzm materiału do 60 procent jego normalnego poziomu. Plastikowy magnes został wykonany z polimeru wykonanego z tetracyjanoetylenu (TCNE, C₂ (CN) ₄) połączonego z jonami manganu (Mn) – atomami metalu z usuniętymi elektronami. Magnes działał w temperaturze 75 K (-198 °C). Niemetaliczny magnes plastikowy działający w temperaturze pokojowej przypisywany pracy Naveeda A. Zaidi pojawił się w 2004 roku.
Skuteczna odbudowa mięśni i aktywna regeneracja po treningach to nie tylko wypoczynek, tlen i dostarczanie białka. Często trudno tak naprawdę oszacować, ile trwa właściwa regeneracja. Mikrozarządzanie w obrębie mięśni i powiązanych z nimi “zadaniami organizmu”, takimi jak gromadzenie się produktów rozpadu, aseptyczny stan zapalny (naturalny, bez czynników obcych, czyli komórki stanu zapalnego jako ekipa sprzątająca uszkodzone tkanki) i w ogóle ścisła kontrola wszelkich towarzyszących wzrostowi mięśni procesów byłyby niesamowitą pomocą zarówno dla budujących masę mięśniową albo zmagających się z nadwagą, jak i dla chorych. W mięśniu bowiem dzieje się naprawdę wiele – chyba najbardziej powszechna wiedza to taka, że powstają objawiające się bólem, ale działające stymulująco zakwasy, czyli mleczany przetwarzane przez nasze ciało w glukozę i w ATP. A co ze stymulującymi wzrost mikrourazami włókien mięśniowych, którym przypisuje się ów ból jeszcze chętniej, niż zakwasom? To wszystko kolejne sfery, w której pomóc mogłyby z pewnością nowoczesne materiały i nanoroboty.
Tak zwane polimery magnetoaktywne (MAP) rewolucjonizują dziedziny mechaniki ciała stałego. Kompozyty te składają się z matrycy polimerowej (elastomeru) zawierającej cząstki magnetyczne (żelazo). Reagują one mechanicznie poprzez zmianę ich kształtu i objętości.
Idea polega na tym, że przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego prowadzi do powstania wewnętrznych sił w materiale. Siły te powodują zmiany jego właściwości mechanicznych takich jak sztywność, a nawet zmiany kształtu i objętości, które mogą wchodzić w interakcje z systemami komórkowymi – mówi González.
Mały dodatek: tutaj możecie zobaczyć sztuczne mięśnie, na razie poza organizmem, zdolne do podnoszenia ciężaru tysiąckroć większego od ich własnego. Największy mięsień w ciele człowieka to mięsień pośladkowy – waży ok. 1 kg. To tak, jakby podnosiłby tonę! Sztuczne mięśnie prezentowane przez Science Nature Page nie mają wiele wspólnego z kulturystyką, ale otwierają możliwości leczenia osób z niewydolnością serca albo ułatwiania fizycznej pracy.
Robot węgorz, czyli sztuczne mięśnie w podwodnych głębinach
Eksploracja podwodnych głębin bez alarmowania jej rdzennych mieszkańców jest już prawie w naszym zasięgu. Jest na to sposób: ultracichy, transparentny robowęgorz.
Błyskawiczne gojenie się ran
W ramach przekrojowej współpracy międzywydziałowej na UC3M zespół zaproponował model, który dostarczy teoretycznych wskazówek do projektowania magnetoaktywnych systemów strukturalnych. Te zaś mogłyby być stosowane w stymulacji gojenia się ran. Jeśli nauczymy się dostatecznie kontrolować te procesy, to możliwe będzie opracowanie innych konstrukcji takich jak miękkie roboty wchodzące w interakcję z ciałem. Być może powstanie także nowa generacja sztucznych mięśni.
González wyjaśnia potencjał technologii za pomocą porównania. Wyobraźmy sobie kogoś, kto znajduje się na plaży i chce szybko zrobić krok do przodu. Piasek, czyli nasze środowisko mechaniczne, sprawia, że jest mu trudniej, niż gdyby stał na asfalcie albo bieżni. Podobnie w naszym przypadku – jeśli komórka znajduje się na zbyt miękkim podłożu, to poruszać się będzie jej zwyczajnie trudniej. Jeśli będziemy w stanie zmienić te podłoża i stworzyć taki “lekkoatletyczny tor dla komórek”, to sprawimy, że wszystkie związane z jej funkcjonowaniem procesy będą realizowane bardziej efektywnie.
Nowoczesne materiałoznawstwo.
Druk 4D albo czwarty wymiar druku 3D
Tak, druk 4D. To żaden marketingowy trik pokroju nadmorskich kin 8D ani błąd typograficzny. Można powiedzieć, że wydruki 4D koncepcyjnie mają też coś wspólnego z wymiarem czasowym. Obiekty tworzone w technologii określanej drukiem 4D to takie, które z czasem – a dokładniej: w czasie; czyli jeszcze dokładniej: pod wpływem następujących po sobie rozmaitych manipulacji, jakie na nich zastosujemy – zmieniają swoje właściwości.
W naszym dzisiejszym kontekście trzeba tu uginających się i skrętnych elementów. Wszystko zależnie od potrzeby.
Wróćmy jeszcze do MAP, ponieważ kompozyty na bazie polimerów reagują na pole magnetyczne z dużą deformacją lub dostrajanymi właściwościami mechanicznymi. Naukowców zajmuje przede wszystkim biomechanika aktywnych systemów biologicznych i konceptualizacja nowych materiałów reagujących na bodźce. Finansowany przez Unię Europejską projekt łączy więc w sobie osiągnięcia przynależne dziedzinom nauk fizycznych, chemicznych i biologicznych.
A gdzie cała rzecz łączy się z drukiem 3D? Otóż modyfikowalne podłoża do podtrzymywania struktur biologicznych mogą być tworzone na drukarkach 3D. Jak czytamy w opisie projektu, mechaniczna stymulacja ma istotny wpływ na struktury biologiczne. Prowadzi do zmian funkcjonalnych, morfologicznych i aktywacji procesów wzrostu lub gojenia.
Obecne wąskie gardła uniemożliwiające postęp w tej dziedzinie to brak odpowiednich metodologii eksperymentalnych umożliwiających scharakteryzowanie zachowania nowych materiałów oraz brak fundamentalnych, teoretycznych podstaw wspierających ich projektowanie i zastosowanie. Od czego jednak są eksperymenty i nauka?
Pierwszym krokiem jest przeprowadzenie dogłębnej charakterystyki i oceny MAP drukowanych w technologii 4D, co pozwoli na szczegółowe zrozumienie fizyki oddziaływań podczas stosowania obciążeń mechanicznych i/lub magnetycznych. Następnie hodowane struktury biologiczne na nowych MAPach drukowanych w 4D będą tworzyć “zaprojektowaną” biostrukturę z określonymi i kontrolowanymi reakcjami na dany bodziec magnetyczny.
Nowe biostruktury będą oceniane przy użyciu sieci komórkowych astrocytów – nie do końca zbadanych jeszcze komórek glejowych obecnych w mózgu i niezwykle ważnych dla układu nerwowego. Ocena uszkodzeń komórkowych, zmian morfologicznych i fizjologicznych potwierdzi działanie nowych biostruktur, a także przyczyni się do lepszego zrozumienia procesów gojenia i bliznowacenia. Przynajmniej takie są założenia, a wiele tu jeszcze gdybania.
Być może tak głębokie zrozumienie magneto-mechaniki MAP i jej dalszy rozwój w celu zastosowania w urządzeniach stymulacyjnych przygotuje grunt do wielkiej rewolucji na polach mechaniki i bioinżynierii. Co do budowania mięśni: nic nie zastąpi ośmiu godzin snu i porcji pysznego kurczaka, ale być może za kilka lat będzie nam łatwiej się regenerować.
