Het menselijk lichaam wordt bij elkaar gehouden door een ingewikkeld kabelsysteem van pezen en spieren, door de natuur ontworpen om sterk en zeer rekbaar te zijn. Een verwonding aan een van deze weefsels, vooral in een belangrijk gewricht zoals de schouder of knie, kan chirurgische reparaties en weken van beperkte mobiliteit vereisen om volledig te genezen.

Nu hebben MIT-ingenieurs een ontwerp voor weefseltechnologie bedacht dat een flexibel bewegingsbereik mogelijk maakt in gewonde pezen en spieren tijdens genezing.

Het team heeft kleine spoelen ontworpen die zijn bekleed met levende cellen, waarvan ze zeggen dat ze kunnen fungeren als rekbare steigers voor het repareren van beschadigde spieren en pezen. De spoelen zijn gemaakt van honderdduizenden biocompatibele nanovezels, strak gedraaid in spoelen die lijken op miniatuur nautisch touw, of garen.

De onderzoekers bedekten het garen met levende cellen, inclusief spier- en mesenchymale stamcellen, die van nature groeien en uitlijnen langs het garen, in patronen die lijken op spierweefsel. De onderzoekers ontdekten dat de opgerolde configuratie van het garen helpt om cellen in leven te houden en te laten groeien. zelfs toen het team het garen meerdere keren uitrekte en boog.

In de toekomst, de onderzoekers stellen zich voor dat artsen de beschadigde pezen en spieren van patiënten kunnen omlijnen met dit nieuwe flexibele materiaal, die zouden worden bedekt met dezelfde cellen die het beschadigde weefsel vormen. De rekbaarheid van het "garen" kan helpen het bewegingsbereik van een patiënt te behouden terwijl nieuwe cellen blijven groeien om het beschadigde weefsel te vervangen.

"Als je spieren of pezen herstelt, je moet hun beweging echt voor een bepaalde tijd fixeren, door een laars te dragen, bijvoorbeeld, " zegt Ming Guo, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het MIT. "Met dit nanovezelgaren, de hoop is, je hoeft zoiets niet te dragen."

Guo en zijn collega's publiceerden deze week hun resultaten in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Zijn co-auteurs van het MIT zijn Yiwei Li, Yukun Hao, Satish Gupta, en Jiliang Hu. Het team omvat ook Fengyun Guo, Yaqiong Wang, Nu Wang, en Yong Zhao, van de Beihang-universiteit.

Vast op kauwgom

Het nieuwe nanovezelgaren is gedeeltelijk geïnspireerd op het eerdere werk van de groep aan kreeftenmembranen, waar ze de taaie maar rekbare onderbuik van de schaaldier vonden, is te wijten aan een gelaagde, multiplex-achtige structuur. Elke microscopisch kleine laag bevat honderdduizenden nanovezels, allemaal in dezelfde richting uitgelijnd, onder een hoek die enigszins is verschoven ten opzichte van de laag net boven en onder.

De precieze uitlijning van de nanovezels maakt elke afzonderlijke laag zeer rekbaar in de richting waarin de vezels zijn gerangschikt. Guo, wiens werk zich richt op biomechanica, zag de natuurlijke rekbare patronen van de kreeft als inspiratie voor het ontwerpen van kunstmatige weefsels, in het bijzonder voor gebieden met hoge rekking van het lichaam, zoals de schouder en de knie.

Guo zegt dat biomedische ingenieurs spiercellen hebben ingebed in andere rekbare materialen zoals hydrogels, in pogingen om flexibele kunstmatige weefsels te maken. Echter, terwijl de hydrogels zelf rekbaar en taai zijn, de ingebedde cellen hebben de neiging om te breken wanneer ze worden uitgerekt, als vloeipapier dat op een stuk kauwgom is geplakt.

"Als je een materiaal als hydrogel grotendeels vervormt, het zal prima worden uitgerekt, maar de cellen kunnen het niet aan, " zegt Guo. "Een levende cel is gevoelig, en als je ze uitrekt, zij gaan dood."

Onderdak in een slinky

De onderzoekers realiseerden zich dat alleen het beschouwen van de rekbaarheid van een materiaal niet voldoende zou zijn om een ​​kunstmatig weefsel te ontwerpen. Dat materiaal zou ook in staat moeten zijn om cellen te beschermen tegen de zware belasting die ontstaat wanneer het materiaal wordt uitgerekt.

Het team keek naar echte spieren en pezen voor verdere inspiratie, en merkte op dat de weefsels zijn gemaakt van strengen van uitgelijnde eiwitvezels, samen opgerold om microscopisch kleine helices te vormen, waarlangs spiercellen groeien. Het blijkt dat, wanneer de eiwitspiralen zich uitstrekken, de spiercellen roteren gewoon, als kleine stukjes vloeipapier die op een slinky zijn geplakt.

Guo probeerde dit natuurlijke, rekbaar, celbeschermende structuur als kunstmatig weefselmateriaal. Om dit te doen, het team creëerde eerst honderdduizenden uitgelijnde nanovezels, met behulp van elektrospinnen, een techniek die elektrische kracht gebruikt om ultradunne vezels uit een oplossing van polymeer of andere materialen te spinnen. In dit geval, hij genereerde nanovezels gemaakt van biocompatibele materialen zoals cellulose.

Het team bundelde vervolgens uitgelijnde vezels samen en draaide ze langzaam om eerst een spiraal te vormen, en dan een nog strakkere spoel, uiteindelijk lijkend op garen en ongeveer een halve millimeter breed. Eindelijk, ze zaaiden levende cellen langs elke spoel, inclusief spiercellen, mesenchymale stamcellen, en menselijke borstkankercellen.

De onderzoekers rekten vervolgens elke spoel herhaaldelijk uit tot zes keer de oorspronkelijke lengte, en ontdekte dat de meerderheid van de cellen op elke spoel in leven bleef en bleef groeien terwijl de spoelen werden uitgerekt. interessant, toen ze de cellen losser zaaiden, spiraalvormige structuren gemaakt van dezelfde materialen, ze ontdekten dat cellen minder kans hadden om in leven te blijven. Guo zegt dat de structuur van de strakkere spoelen cellen lijkt te "beschermen" tegen beschadiging.

Vooruit gaan, de groep is van plan soortgelijke spoelen te fabriceren van andere biocompatibele materialen zoals zijde, die uiteindelijk in een beschadigd weefsel kan worden geïnjecteerd. De spoelen kunnen een tijdelijke, flexibele steiger voor nieuwe cellen om te groeien. Zodra de cellen een blessure met succes hebben hersteld, de steiger kan oplossen.

"Misschien kunnen we ooit deze structuren onder de huid inbedden, en het [spoel]materiaal zou uiteindelijk worden verteerd, terwijl de nieuwe cellen blijven zitten, " zegt Guo. "Het leuke van deze methode is, het is echt algemeen, en we kunnen verschillende materialen proberen. Dit kan de limiet van tissue engineering flink verleggen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.