Wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) en Carnegie Mellon University (CMU) hebben een manier gevonden om de groei van hydrogel te sturen, een geleiachtige substantie, om de structuur en vormen van plantaardig of dierlijk weefsel na te bootsen.

De bevindingen van het team, gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences vandaag, suggereren nieuwe toepassingen op gebieden zoals tissue engineering en zachte robotica waar hydrogel vaak wordt gebruikt. Het team heeft ook een patent aangevraagd bij CMU en NTU.

In de natuur, plantaardige of dierlijke weefsels worden gevormd als nieuwe biomassa wordt toegevoegd aan bestaande structuren. Hun vorm is het resultaat van verschillende delen van die weefsels die met verschillende snelheden groeien.

Door dit gedrag van biologische weefsels in de natuur na te bootsen, het onderzoeksteam bestaande uit CMU-wetenschappers Changjin Huang, David Quinn, K. Jimmy Hsia en NTU-voorzitter prof. Subra Suresh, toonde aan dat door manipulatie van de zuurstofconcentratie, men kan de groeisnelheid van hydrogels in patroon brengen en regelen om de gewenste complexe 3D-vormen te creëren.

Het team ontdekte dat hogere zuurstofconcentraties de verknoping van chemicaliën in de hydrogel vertragen, remming van de groei in dat specifieke gebied.

Mechanische beperkingen zoals zachte draad, of glassubstraat die chemisch bindt met de gel, kan ook worden gebruikt om de zelfassemblage en vorming van hydrogels in complexe structuren te manipuleren.

Dergelijke complexe orgaanstructuren zijn essentieel voor het uitvoeren van gespecialiseerde lichaamsfuncties. Bijvoorbeeld, de dunne darm van de mens is bedekt met microscopisch kleine plooien die bekend staan ​​als villi, die het darmoppervlak vergroten voor een efficiëntere opname van voedingsstoffen uit het voedsel.

De nieuwe techniek verschilt van eerdere methoden die 3D-structuren creëren door materiaallagen toe te voegen/af te drukken of af te trekken. Deze techniek, echter, vertrouwt op continue polymerisatie van monomeren in de poreuze hydrogel, vergelijkbaar met het proces van vergroting en proliferatie van levende cellen in organische weefsels. De meeste levende systemen hanteren een continu groeimodel, dus de nieuwe techniek die deze benadering nabootst, zal mogelijk een krachtig hulpmiddel zijn voor onderzoekers om groeiverschijnselen in levende systemen te bestuderen.

"Meer controle over de groei en zelfassemblage van hydrogels in complexe structuren biedt een scala aan mogelijkheden op medisch en roboticagebied. Een gebied dat hiervan kan profiteren, is weefseltechnologie, waar het doel is om beschadigde biologische weefsels te vervangen, zoals bij kniereparaties of bij het maken van kunstmatige levers, " zei professor Subra Suresh, die op 1 januari 2018 aantreedt als voorzitter van de NTU.

Groei-gecontroleerde en structuur-gecontroleerde hydrogels zijn ook nuttig bij de studie en ontwikkeling van flexibele elektronica en zachte robotica, biedt meer flexibiliteit in vergelijking met conventionele robots, en na te bootsen hoe levende organismen bewegen en reageren op hun omgeving.