Новая нановолоконная пряжа может помочь в лечении раненых мышц и сухожилий

Сложная кабельная система мышц и сухожилий скрепляет тело человека. Эта система разработана по своей природе, чтобы быть очень эластичной и прочной.

Инженеры MIT разработали спиральный «наноярн», показанный здесь как интерпретация художника. Скрученные волокна покрыты живыми клетками и могут использоваться для восстановления поврежденных мышц и сухожилий, сохраняя при этом их гибкость. (Фото предоставлено: Феличе Франкель)

Однако, если травма причинена какой-либо из этих тканей, особенно в критическом суставе, таком как колено или плечо, то потребуются недели ограниченной подвижности и хирургического ремонта, чтобы они могли полностью зажить.

Теперь команда инженеров из Массачусетского технологического института разработала новый тип конструкции тканевой инженерии, которая могла бы обеспечить гибкий диапазон движения поврежденных мышц и сухожилий во время процесса заживления.

Исследователи разработали крошечные витки, которые выстланы живыми клетками, которые в соответствии с ними могут служить гибкими каркасами для ремонта поврежденных сухожилий и мышц. Изготовленные из бесчисленного количества биосовместимых нановолокон, катушки прочно скручены в катушки, похожие на крошечную морскую пряжу или веревку.

Пряжа была покрыта живыми клетками, которые также включали мышечные клетки и мезенхимальные стволовые клетки, которые растут естественным путем и легко выравниваются рядом с пряжей, в конструкции, похожие на мышечную ткань. Команда обнаружила, что спиральная конфигурация пряжи помогает сохранять клетки живыми и процветающими, даже несмотря на то, что исследователи многократно сгибали и расширяли пряжу.

В ближайшие дни инженеры полагают, что врачи могут выровнять поврежденные мышцы и сухожилия пациентов, используя этот новый гибкий материал, который будет выстлан такими же клетками, которые составляют поврежденную ткань. Диапазон движений пациента может поддерживаться растяжением нити, в то время как свежие клетки продолжают расти, заменяя поврежденную ткань.

Когда вы ремонтируете мышцы или сухожилия, вам действительно нужно на некоторое время зафиксировать их движение, например, надев ботинок. Надеюсь, что благодаря этой нановолоконной нити вам не придется носить что-либо подобное .

Мин Го, доцент кафедры машиностроения, MIT.

Го и его коллеги недавно сообщили о результатах своего исследования в Известиях Национальной академии наук . Его соавторами в Массачусетском технологическом институте являются Ивей Ли, Сатиш Гупта, Юкунь Хао и Цзилиан Ху. В состав группы также входят Якинг Ван, Фэнъюнь Го, Юн Чжао и Ню Ван из университета Бейхан.

Застрял в жвачке

Последняя нановолоконная нить была частично вдохновлена ​​более ранним исследованием мембран из лобстера, в котором они заметили, что прочный, но гибкий брюшной пол ракообразного является результатом слоистой структуры, напоминающей фанеру. Бесчисленное количество нановолокон присутствует в каждом микроскопическом слое, все расположены в одном направлении под углом, несколько смещенным от слоя чуть ниже и выше.

Точное выравнивание нановолокон делает каждый слой чрезвычайно эластичным в направлении, в котором выровнены волокна. Работа Го в основном сосредоточена на биомеханике. Он был вдохновлен естественным растягиванием узоров лобстера и увидел, что его можно использовать для создания искусственных тканей, особенно для участков тела с высокой растяжимостью, таких как колено и плечо.

Биомедицинские инженеры интегрировали мышечные клетки в другие гибкие материалы, такие как гидрогели, чтобы создать гибкие искусственные ткани, заявил Го. Тем не менее, хотя сами гидрогели прочны и податливы, интегрированные клетки имеют тенденцию разрушаться при растяжении, подобно папиросной бумаге, прикрепленной к кусочку жевательной резинки.

Когда вы в значительной степени деформируете материал, такой как гидрогель, он растягивается очень хорошо, но клетки не могут его принять. Живые клетки чувствительны, и когда вы их растягиваете, они умирают .

Мин Го, доцент кафедры машиностроения, MIT.

Приют в обтяжку

Команда отметила, что было бы недостаточно создать искусственную ткань, просто учитывая растяжимость материала. Этот материал также должен быть в состоянии защитить клетки от строгих деформаций, создаваемых при растяжении материала.

Для большего вдохновения исследователи изучили фактические сухожилия и мышцы и обнаружили, что ткани созданы из выровненных нитей белковых волокон, скрученных вместе, чтобы создать крошечные спирали, в которых растут мышечные клетки. Было замечено, что когда белковые спирали расширяются, мышечные клетки просто вращаются, как маленькие кусочки папиросной бумаги, прилипшие к слизистой.

Го хотел смоделировать эту эластичную, естественную, защищающую клетки структуру как синтетический тканевый материал. Чтобы достичь этого, исследователи первоначально разработали много рядов выровненных нановолокон с помощью электроспиннинга, метода, в котором электрическая сила используется для вытягивания чрезвычайно тонких волокон из раствора полимера или полимера из других материалов. Здесь он произвел нановолокна, изготовленные из биосовместимых материалов, таких как целлюлоза.

Впоследствии, исследователи связали вместе выровненные волокна и постепенно скрутили их, чтобы сначала создать спираль, а затем равномерную более плотную катушку, которая в итоге выглядела как пряжа и имела ширину примерно в полмиллиметра. Затем вдоль каждой спирали команда посеяла живые клетки, включая клетки рака молочной железы человека, мезенхимальные стволовые клетки и мышечные клетки.

Впоследствии каждая катушка неоднократно растягивалась примерно в шесть раз по сравнению с ее первоначальной длиной, и команда в конечном итоге заметила, что большинство клеток на каждой катушке были не только живыми, но и продолжали расти по мере расширения катушек. Интересно, что когда клетки высевали на более рыхлые и спиралевидные структуры, созданные из тех же материалов, исследователи отметили, что клетки, вероятно, не могут остаться в живых. По словам Го, структура более плотных катушек, по-видимому, «защищает» клетки от травм.

В дальнейшем команда планирует создать аналогичные катушки из других биосовместимых материалов, таких как шелк, которые в конечном итоге могут быть введены в поврежденную ткань. Катушки могут служить временным, гибким каркасом, обеспечивающим рост свежих клеток. Эшафот может затем раствориться после того, как клетки эффективно восстановили травму.

Возможно, мы сможем однажды внедрить эти структуры под кожу, и материал [coil] в конечном итоге будет переварен, а новые клетки останутся на месте. Хорошая особенность этого метода в том, что он действительно общий, и мы можем попробовать разные материалы. Это может значительно расширить границы тканевой инженерии .

Мин Го, доцент кафедры машиностроения, MIT.

Исследование было частично профинансировано Фондом поддержки исследований MIT.

Source link