Wetenschappers hebben voor het eerst synthetische zachte oppervlakken met tongachtige texturen gemaakt met behulp van 3D-printen, nieuwe mogelijkheden openen voor het testen van orale verwerkingseigenschappen van voedsel, voedingstechnologieën, farmacie en droge mond therapieën.

Britse wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Leeds in samenwerking met de Universiteit van Edinburgh hebben het zeer geavanceerde oppervlakteontwerp van een menselijke tong gerepliceerd en aangetoond dat hun gedrukte synthetische siliconenstructuur de topologie nabootst, elasticiteit en bevochtigbaarheid van het tongoppervlak.

Deze factoren spelen een belangrijke rol bij de interactie van voedsel of speeksel met de tong, die op hun beurt het mondgevoel kunnen beïnvloeden, slikken, toespraak, voedingsinname en kwaliteit van leven.

Een biomimetische tong zal ontwikkelaars helpen om nieuw ontworpen producten te screenen en de nieuwe ontwikkelingsprocessen te versnellen zonder de noodzaak van menselijke proeven in vroege stadia, die vaak erg duur en tijdrovend zijn.

Bijzonder, sinds het begin van de COVID-19-pandemie, social distancing heeft aanzienlijke uitdagingen met zich meegebracht om dergelijke sensorische proeven en consumententests uit te voeren. Een biomimetische tong zal enorm nuttig zijn om de ontwikkelingsproductiviteit te verhogen en de afhankelijkheid van fabrikanten van menselijke proeven in de vroege stadia te verminderen.

Een biomimetische tong zou verder talloze toepassingen kunnen bieden om vervalsing in voedsel en andere oraal toegediende geneesmiddelen te bestrijden, ongeacht of textuurkenmerken de kenmerkende kenmerken zijn en enorme economische verliezen kunnen besparen.

De complexe aard van het biologische oppervlak van de tong heeft voor uitdagingen gezorgd bij kunstmatige replicatie, het creëren van grote obstakels voor de ontwikkeling en screening van effectieve, langdurige behandelingen of therapieën voor het droge-mondsyndroom - ongeveer 10% van de algemene bevolking en 30% van de ouderen heeft last van een droge mond.

Studie hoofdauteur, Dr. Efren Andablo-Reyes voerde dit onderzoek uit als postdoctoraal onderzoeker aan de School of Food Science and Nutrition in Leeds. Hij zei:"Het nabootsen van het oppervlak van een gemiddelde menselijke tong brengt unieke architecturale uitdagingen met zich mee. Honderden kleine knopachtige structuren, papilla genaamd, geven de tong zijn karakteristieke ruwe textuur die in combinatie met de zachte aard van het weefsel een gecompliceerd landschap van een mechanisch perspectief.

"We hebben onze aandacht gericht op het voorste dorsale deel van de tong, waar sommige van deze papillen smaakreceptoren bevatten, terwijl velen van hen dergelijke receptoren missen. Beide soorten papillen spelen een cruciale rol bij het leveren van de juiste mechanische wrijving om de voedselverwerking in de mond te vergemakkelijken met de juiste hoeveelheid speeksel, zorgen voor een aangenaam mondgevoel en een goede smering voor het slikken.

"We wilden deze mechanisch relevante kenmerken van de menselijke tong repliceren op een oppervlak dat gemakkelijk te gebruiken is in het laboratorium om orale verwerkingsomstandigheden te repliceren."

De studie die unieke expertise in voedselcolloïdwetenschap samenbracht, zachte materie fysica, tandheelkunde, werktuigbouwkunde en informatica wordt vandaag gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces .

Het team nam siliconenafdrukken van tongoppervlakken van vijftien volwassenen. De afdrukken werden optisch 3D gescand om de afmetingen van de papillen in kaart te brengen, dichtheid en de gemiddelde ruwheid van de tongen. De textuur van een menselijke tong bleek op een willekeurige lay-out te lijken.

Het team gebruikte computersimulaties en wiskundige modellering om een ​​3D-geprint kunstmatig oppervlak te creëren dat functioneert als een mal met putten met de vorm en afmetingen van de verschillende papillen die willekeurig over het oppervlak zijn verdeeld met de juiste dichtheid. Dit was replica-gegoten tegen elastomeren met geoptimaliseerde zachtheid en bevochtigbaarheid.

Universiteit van Edinburgh co-auteur, Rik Sarkar van de School of Informatics zei:"De willekeur in de verspreiding van papillen lijkt een belangrijke zintuiglijke rol te spelen voor de tong.

"We hebben een nieuw concept gedefinieerd met de naam botsingswaarschijnlijkheid om mechanosensing te meten die een grote impact op dit gebied zal hebben. In de toekomst zullen we zullen een combinatie van machine learning en computationele topologie gebruiken om tongmodellen te creëren van diverse gezonde en zieke individuen om verschillende orale aandoeningen aan te pakken."

Het kunstmatige oppervlak werd vervolgens 3D-geprint met behulp van digitale lichtverwerkingstechnologie op basis van de School of Mechanical Engineering in Leeds.

Het team voerde een reeks experimenten uit met verschillende complexe vloeistoffen om ervoor te zorgen dat de bevochtigbaarheid van het bedrukte oppervlak - hoe een vloeistof contact houdt en zich over een oppervlak verspreidt - en de smeerprestaties hetzelfde waren als de menselijke tongafdrukken.

Co-auteur Dr. Michael Bryant van de School of Mechanical Engineering in Leeds zei:"De toepassing van bio-tribologische principes, de studie van wrijving en smering, in het creëren van dit tongachtige oppervlak is een belangrijke stap voorwaarts op dit gebied.

"De mogelijkheid om nauwkeurige replica's van tongoppervlakken met vergelijkbare structuur en mechanische eigenschappen te produceren, zal helpen bij het stroomlijnen van onderzoek en ontwikkeling voor mondverzorging, voedingsproducten en therapeutische technologieën."

Hoofdonderzoeker Anwesha Sarkar, hoogleraar colloïden en oppervlakken in Leeds, zei:"Het was geen geringe taak om het tongoppervlak nauwkeurig in kaart te brengen en te repliceren en dat te combineren met een materiaal dat de elasticiteit van de menselijke tong benadert. Het benutten van expertise uit meerdere STEM-disciplines, we hebben het ongekende vermogen van een 3D-geprint siliconenoppervlak aangetoond om de mechanische prestaties van de menselijke tong na te bootsen.

"Wij geloven dat het vervaardigen van een synthetisch oppervlak met relevante eigenschappen die de ingewikkelde architecturale kenmerken nabootst, en wat nog belangrijker is, is dat de smerende werking van de menselijke tong van het grootste belang is om kwantitatief inzicht te krijgen in de interactie van vloeistoffen in de mondholte.

"Dit biomimetische tongoppervlak kan ook dienen als een uniek mechanisch hulpmiddel om vervalsingen in voedsel en hoogwaardige dranken op te sporen op basis van textuurkenmerken, wat een wereldwijde zorg is en kan helpen om de voedselveiligheid te waarborgen.

"Uiteindelijk, we hopen dat het oppervlak dat we hebben ontworpen belangrijk kan zijn om te begrijpen hoe de biomechanica van de tong de fundamenten van menselijke voeding en spraak ondersteunt.