In de natuur, cellen en weefsels assembleren en organiseren zichzelf in een matrix van eiwitvezels die uiteindelijk hun structuur en functie bepaalt, zoals de elasticiteit van de huid en de contractiliteit van hartweefsel. Deze natuurlijke ontwerpprincipes zijn nu met succes gerepliceerd in het laboratorium door bio-ingenieurs van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering en de School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) aan de Harvard University.

Deze bio-ingenieurs hebben een nieuwe technologie ontwikkeld die kan worden gebruikt om hart- en andere weefsels te regenereren en om nanometerdikke weefsels te maken die zowel sterk als extreem elastisch zijn. De belangrijkste doorbraak kwam in de ontwikkeling van een matrix die zichzelf kan assembleren door interactie met een warmtegevoelig oppervlak. De eiwitsamenstelling van die matrix kan worden aangepast om specifieke eigenschappen te genereren, en het nanoweefsel kan dan als een vel worden opgetild door de temperatuur te veranderen.

"Tot op heden was het erg moeilijk om deze extracellulaire matrix te repliceren met behulp van door de mens gemaakte materialen, " zei Adam W. Feinberg, een postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard University die in de herfst een assistent-professor wordt aan de Carnegie Mellon University. "Maar we dachten dat als cellen deze matrix aan het oppervlak van hun membranen kunnen bouwen, misschien kunnen we het ook zelf op een ondergrond bouwen. We waren heel blij om te zien dat we dat konden."

Feinberg is de hoofdauteur van "Surface-Initiated Assembly of Protein Nanofabrics, " die in het huidige nummer van Nano Letters verschijnt, een publicatie van de American Chemical Society. Co-auteur Kit Parker is een kernfaculteitslid van het Wyss Institute, de Thomas D. Cabot Associate Professor of Applied Science en Associate Professor of Bioengineering bij SEAS, en een lid van het Harvard Stem Cell Institute.

Op het gebied van weefselregeneratie, hun technologie, die eiwit nanofabrics worden genoemd, betekent een belangrijke stap voorwaarts. Huidige methoden voor het regenereren van weefsel omvatten meestal het gebruik van synthetische polymeren om een ​​steiger te creëren. Maar deze benadering kan negatieve bijwerkingen veroorzaken als de polymeren degraderen. Daarentegen, nanofabrics zijn gemaakt van dezelfde eiwitten als normaal weefsel, en dus kan het lichaam ze afbreken zonder nadelige gevolgen als ze niet langer nodig zijn. De eerste resultaten hebben geleid tot hartspierstrengen die lijken op de papillaire spier, wat kan leiden tot nieuwe strategieën voor herstel en regeneratie in het hele hart.

"Met nanostoffen, we kunnen het aantal threads controleren, oriëntatie, en compositie, en dat vermogen stelt ons in staat om nieuwe weefselengineeringsteigers te creëren die regeneratie sturen, "zei Parker. "Het stelt ons ook in staat om de nanoschaaleigenschappen van deze eiwitten op nieuwe manieren te benutten die verder gaan dan medische toepassingen. Er is een breed scala aan toepassingen voor deze technologie waarbij gebruik wordt gemaakt van natuurlijke, of ontwerper, synthetische eiwitten."

Hoogwaardig textiel is de tweede belangrijkste toepassing van deze technologie. Door het type eiwit dat in de matrix wordt gebruikt te veranderen, onderzoekers kunnen het aantal threads manipuleren, vezeloriëntatie, en andere eigenschappen om stoffen met buitengewone eigenschappen te creëren. Vandaag, een gemiddeld elastiekje kan 500 tot 600 procent worden uitgerekt, maar toekomstig textiel kan tot wel 1 rekbaar zijn 500 procent. Toekomstige toepassingen voor dergelijk textiel zijn net zo divers als nauwsluitende kleding, verbanden die de genezing versnellen, en industriële productie.

Het onderzoek maakt deel uit van een groter programma in Nanotextiles van het Wyss Institute en SEAS. In hetzelfde nummer van Nano-brieven, Parker's team rapporteerde ook over de ontwikkeling van een nieuwe technologie die nanovezels fabriceert met behulp van een hoge snelheid, roterende straal en mondstuk. Deze uitvinding heeft potentiële toepassingen variërend van kunstmatige organen en weefselregeneratie tot kleding en luchtfilters.

"Het Wyss Institute is erg trots geassocieerd te worden met twee van zulke belangrijke ontdekkingen, " zei Donald E. Ingber, MD, doctoraat, Oprichtend directeur van het Wyss Institute. "Dit zijn geweldige voorbeelden van het realiseren van onze missie om de ontwerpprincipes van de natuur te gebruiken om technologieën te ontwikkelen die een enorme impact zullen hebben op de manier waarop we leven."

Het Wyss Institute werkt als een alliantie tussen de medische faculteiten van Harvard, Engineering, en Arts &Sciences in samenwerking met Beth Israel Deaconess Medical Center, Kinderziekenhuis, Dana Farber Kankerinstituut, de medische faculteit van de Universiteit van Massachusetts, en de Universiteit van Boston.

Door de principes van de natuur voor zelforganiserend en zelfregulerend na te streven, Wyss-onderzoekers ontwikkelen innovatieve nieuwe oplossingen voor de gezondheidszorg, energie, architectuur, robotica, en fabricage. Deze technologieën worden vertaald in commerciële producten en therapieën door middel van samenwerkingen met klinische onderzoekers en zakelijke allianties.