Benbildning inspirerade till ”mikrorobotar” som kan bilda eget ben

Inspirerade av hur ben i skelettet bildas har forskare vid LiU och Okayama University i Japan utvecklat en kombination av material som kan anta olika former och hårdna av sig självt. Materialet är först mjukt och blir sedan hårt genom att ben bildas av samma mineraler som finns i skelettet.

Materialkombinationen och ett kycklingben i en behållare fylld med vätska-När spänning appliceras kommer materialet (till vänster) långsamt böja sig mot kycklingbenet (vitt). Om vätskan innehåller mineraler som behövs för benbildning kommer materialet inom några dagar bilda artificiellt ben som fäster till kycklingbenet. Foto Olov Planthaber

När vi föds har vi luckor mellan skallbenen som är täckta med mjuk bindväv, som kallas fontaneller. Tack vare fontanellerna kan skallen pressas ihop och anpassas till den trånga förlossningskanalen. Efter födseln omvandlas vävnaden i fontanellerna långsamt till hårt ben. Nu har forskare kombinerat material som tillsammans efterliknar naturens process.Edwin Jager.

– Vi vill kunna använda detta till applikationer där materialet ska ha olika egenskaper vid olika tidpunkter. I ett första skede är materialet mjukt och följsamt, och sedan kan det låsas i ett läge. Möjliga användningsområden är läkning av komplicerade benbrott eller mjuka mikrorobotar som skulle kunna injiceras genom en liten nål vartefter roboten vecklar ut sig och bildar sina ben, säger Edwin Jager, universitetslektor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM, vid Linköpings universitet.

Idén kläcktes under en forskningsvistelse i Japan då materialforskaren Edwin Jager träffade Hiroshi Kamioka och Emilio Hara, som forskar kring ben. De japanska forskarna hade upptäckt en sorts biomolekyler som på kort tid kunde stimulera bentillväxt. Vore det möjligt att kombinera biomolekylen med Jagers materialforskning för att utveckla nya material vars styvhet kan varieras?Närbild på materialkombinationen.Det svarta materialet är en elektroaktiv polymer som ändrar volym när forskarna applicerar en svag spänning, vilket får den enkla ”mikroroboten” att böja sig. På andra sidan syns gelen där forskarna fäst biomolekyler som gör att det mjuka gelmaterialet kan hårdna som ben. Foto Olov Planthaber

I den aktuella studien, som publiceras i Advanced Materials, har forskarna konstruerat ett slags enkel ”mikrorobot”, som kan anta olika former och ändra hårdhet. Forskarna utgår från ett gelmaterial kallat alginat. På ena sidan om gelen får ett polymermaterial växa in. Detta material är elektroaktivt och ändrar volym när forskarna applicerar en svag spänning, vilket får mikroroboten att böja sig åt ena hållet. På den andra sidan av gelen fäster forskarna biomolekyler som gör att det mjuka gelmaterialet kan bli hårt. Dessa biomolekyler utvinns från cellmembranet på en typ av cell som är viktiga för benbildning. När materialet doppas i en cellodlingsvätska, som ska efterlikna miljön i kroppen och innehåller kalcium och fosfor, får biomolekylerna gelen att mineraliseras och hårdna som ben.

En av de potentiella tillämpningar som forskarna är intresserade av är benläkning. Idéen är att det mjuka materialet, som får kraft och rörelseförmåga av den elektroaktiva polymeren, rör sig in i hålrum i komplicerade benbrott och vecklar ut sig. När materialet sedan hårdnat kan det utgöra grunden för bildning av nytt ben, är tanken. I den aktuella studien demonstrerar forskarna att materialet kan linda sig runt kycklingben och att den artificiella bentillväxten kan växa ihop med kycklingbenet.

Genom att göra mönster i gelen kan forskarna påverka på vilket sätt den enkla mikroroboten kommer att böja sig när spänning tillförs. Vinkelräta linjer i ytan får materialet att böja sig i en halvcirkel, medan diagonala linjer gör att den vrider sig som en korkskruv.Tre forskare på labbet. Jose Martinez (till vänster), Danfeng Cao och Edwin Jager (till höger) vid Linköpings universitet. Foto Olov Planthaber

– Genom att styra hur materialet vrider sig kan vi få fram olika rörelsemönster i mikrorobotar, men också styra hur materialet vecklar upp sig i exempelvis ett benbrott. Vi kan baka in rörelsen i materialets struktur, så att man slipper ha komplexa styrprogram för mikrorobotarna, säger Edwin Jager.

Forskarna går nu vidare med att undersöka egenskaperna hos materialkombinationen och hur den fungerar tillsammans med levande celler, för att lära sig mer om dess biokompatibilitet.

Forskningen har gjorts med finansiellt stöd av bland andra Japanese Society for the Promotion of Science (JSPS) Bridge Fellowship program och KAKENHI, Vetenskapsrådet, Promobilia och STINT, Stiftelsen för internationalisering av högre utbildning och forskning.

Artikeln: Biohybrid variable stiffness soft actuators that self-create bone, Danfeng Cao, Jose G. Martinez, Emilio Satoshi Hara och Edwin Jager, (2021), Advanced Materials, publicerad online 17 januari 2022, https://doi.org/10.1002/adma.202107345

Mer om forskningen Visa/dölj innehåll

Mer om forskningsmiljön Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU Visa/dölj innehåll