Inspirert av hvordan bein i skjelettet dannes, har forskere ved Linköping University og Okayama University i Japan utviklet en kombinasjon av materialer som kan ta ulike former og herde av seg selv. Materialet er først mykt og blir deretter hardt av bein dannet av de samme mineralene som finnes i skjelettet.
Når vi blir født har vi hull mellom hodeskallebeina som er dekket med mykt bindevev, kalt fontaneller. Takket være fontanellene kan hodeskallen komprimeres og tilpasses den trange fødselskanalen. Etter fødselen forvandles vevet i fontanellene sakte til hardt bein. Nå har forskere kombinert materialer som sammen etterligner naturens prosess.
– Vi ønsker å kunne bruke dette til bruksområder hvor materialet skal ha ulike egenskaper til ulike tider. Til å begynne med er materialet mykt og smidig, og deretter kan det låses på plass. Mulige bruksområder er helbredelse av kompliserte benbrudd eller myke mikroroboter som kan injiseres gjennom en liten nål ettersom roboten folder seg ut og danner bein, sier Edwin Jager, universitetslektor ved Institutt for fysikk, kjemi og biologi, IFM, i Linköping Universitet.
Ideen ble klekket ut under et forskningsopphold i Japan da materialforsker Edwin Jager møtte Hiroshi Kamioka og Emilio Hara, som forsker på bein. De japanske forskerne hadde oppdaget en type biomolekyl som kunne stimulere beinvekst på kort tid. Ville det være mulig å kombinere biomolekylet med Hagers materialforskning for å utvikle nye materialer hvis stivhet kan varieres?
I den aktuelle studien, som er publisert i Advanced Materials, har forskerne konstruert en slags enkel «mikro-robot», som kan ta ulike former og endre hardhet. Forskerne tar utgangspunkt i et gelmateriale kalt alginat. På den ene siden av gelen får et polymert materiale vokse. Dette materialet er elektroaktivt og endrer volum når forskerne legger på en svak spenning, som får mikroroboten til å bøye seg i én retning. På den andre siden av gelen fester forskerne biomolekyler som gjør at det myke gelmaterialet kan bli hardt. Disse biomolekylene utvinnes fra cellemembranen til en celletype som er viktig for bendannelse. Når materialet dyppes i en cellekulturvæske, som skal etterligne miljøet i kroppen og inneholder kalsium og fosfor, gjør biomolekylene at gelen mineraliserer og stivner som bein.
En av de potensielle bruksområdene som forskere er interessert i er beinheling. Tanken er at det myke materialet, som gis styrke og bevegelighet av den elektroaktive polymeren, beveger seg inn i hulrom ved kompliserte benbrudd og folder seg ut. Når materialet er stivnet, kan det danne grunnlaget for dannelsen av nytt bein, er tanken. I den aktuelle studien demonstrerer forskerne at materialet kan vikle seg rundt kyllingbein og at den kunstige beinveksten kan vokse sammen med kyllingbeinet.
Ved å lage mønstre i gelen kan forskerne påvirke måten den enkle mikroroboten vil bøye seg når spenning påføres. Vinkelrette linjer i overflaten får materialet til å bøye seg i en halvsirkel, mens diagonale linjer får det til å vri seg som en korketrekker.
– Ved å kontrollere hvordan materialet vrir seg kan vi produsere ulike bevegelsesmønstre i mikroroboter, men også kontrollere hvordan materialet utfolder seg i for eksempel et beinbrudd. Vi kan bake bevegelsen inn i strukturen til materialet, slik at man ikke har komplekse kontrollprogrammer for mikrorobotene, sier Edwin Jager.
Forskerne fortsetter nå med å undersøke egenskapene til materialkombinasjonen og hvordan den fungerer sammen med levende celler, for å lære mer om dens biokompatibilitet.
Forskningen er gjort med økonomisk støtte fra blant annet Japanese Society for the Promotion of Science (JSPS) Bridge Fellowship-programmer og KAKENHI, Swedish Research Council, Promobilia og STINT, Foundation for the Internationalization of Higher Education and Research.
Kilde: Linköpings universitet
Bilde: Når det påføres spenning, vil materialet (venstre) sakte bøye seg mot kyllingbeinet (hvitt). Dersom væsken inneholder mineraler som trengs for beindannelse, vil materialet i løpet av få dager danne kunstig bein som fester seg til kyllingbeinet. Foto: Linköpings universitet
