Künstliche Muskelfasern könnten als Zellgerüste dienen

In zwei neuen Studien haben Forscher der North Carolina State University eine Reihe von Textilfasern entworfen und getestet, die wie ein Muskel ihre Form ändern und Kraft erzeugen können. In der ersten Studie konzentrierten sich die Forscher auf den Einfluss der Materialien auf die Kraft und Kontraktionslänge der künstlichen Muskeln. Die Erkenntnisse könnten Forschern helfen, die Fasern für verschiedene Anwendungen anzupassen.

In der zweiten Proof-of-Concept-Studie testeten die Forscher ihre Fasern als Gerüste für lebende Zellen. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass die Fasern – sogenannte „Faserroboter“ – möglicherweise zur Entwicklung von 3D-Modellen lebender, sich bewegender Systeme im menschlichen Körper verwendet werden könnten.

„Wir haben herausgefunden, dass unser Faserroboter ein sehr geeignetes Gerüst für die Zellen ist, und wir können die Frequenz und das Kontraktionsverhältnis ändern, um eine geeignetere Umgebung für Zellen zu schaffen“, sagte Muh Amdadul Hoque, Doktorand in Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC-Staat. „Es handelte sich dabei um Proof-of-Concept-Studien. Letztlich geht es uns darum, herauszufinden, ob wir diese Fasern als Gerüst für Stammzellen untersuchen oder sie in zukünftigen Studien zur Entwicklung künstlicher Organe verwenden können.“

Forscher stellten die formverändernden Fasern her, indem sie einen ballonähnlichen Schlauch aus einem gummiähnlichen Material in eine geflochtene Textilhülle einkapselten. Durch das Aufblasen des Innenballons mit einer Luftpumpe dehnt sich die geflochtene Hülle aus und verkürzt sich dadurch.

Die Forscher haben die Kraft und Kontraktionsraten von Fasern aus verschiedenen Materialien gemessen, um den Zusammenhang zwischen Material und Leistung zu verstehen. Sie fanden heraus, dass stärkere Garne mit größerem Durchmesser eine stärkere Kontraktionskraft erzeugten. Darüber hinaus stellten sie fest, dass das zur Herstellung des Ballons verwendete Material das Ausmaß der Kontraktion und die erzeugte Kraft beeinflusste.

„Wir haben festgestellt, dass wir die Materialeigenschaften an die erforderliche Leistung des Geräts anpassen können“, sagte Xiaomeng Fang, Assistenzprofessor für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC State. „Wir haben auch herausgefunden, dass wir dieses Gerät so klein machen können, dass wir es möglicherweise bei der Stoffbildung und anderen textilen Anwendungen verwenden können, einschließlich in Wearables und Hilfsmitteln.“

In einer Folgestudie untersuchten die Forscher, ob sie die formverändernden Fasern als Gerüst für Fibroblasten verwenden könnten, einen Zelltyp, der im Bindegewebe vorkommt und andere Gewebe oder Organe unterstützt.

„Die Idee beim Dehnen besteht darin, die dynamische Natur der Körperbewegungen nachzuahmen“, sagte Jessica Gluck, Assistenzprofessorin für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC State und Mitautorin der Studie.

Sie untersuchten die Reaktion der Zellen auf die Bewegung der formverändernden Fasern und auf verschiedene Materialien, die bei der Konstruktion der Fasern verwendet wurden. Sie fanden heraus, dass die Zellen in der Lage waren, die Flechthülle des Faserroboters zu bedecken und sogar zu durchdringen. Sie stellten jedoch einen Rückgang der Stoffwechselaktivität der Zellen fest, wenn die Kontraktion des Faserroboters über ein bestimmtes Maß hinausging, im Vergleich zu einem Gerät aus demselben Material, das sie stationär hielten.

Die Forscher sind daran interessiert, auf den Erkenntnissen aufzubauen, um zu sehen, ob sie die Fasern als biologisches 3D-Modell verwenden könnten, und um zu untersuchen, ob Bewegung die Zelldifferenzierung beeinflussen würde. Sie sagten, ihr Modell sei ein Fortschritt gegenüber anderen bestehenden experimentellen Modellen, die entwickelt wurden, um die zelluläre Reaktion auf Dehnung und andere Bewegungen zu zeigen, da sie sich nur in zwei Dimensionen bewegen können.

„Wenn man Zellen dehnen oder belasten möchte, legt man sie normalerweise auf eine Plastikschale und dehnt sie in eine oder zwei Richtungen“, sagte Gluck. „In dieser Studie konnten wir zeigen, dass die Zellen in dieser 3D-dynamischen Kultur bis zu 72 Stunden überleben können.

„Das ist besonders nützlich für Stammzellen“, fügte Gluck hinzu. „Was wir in Zukunft tun könnten, wäre zu untersuchen, was auf zellulärer Ebene bei mechanischer Belastung der Zellen passieren könnte. Man könnte sich Muskelzellen ansehen und sehen, wie sie sich entwickeln, oder sehen, wie die mechanische Wirkung zur Differenzierung der Zellen beitragen würde.“ ."

Die Studie „Auswirkung von Materialeigenschaften auf die Leistung faserförmiger pneumatischer Aktuatoren“ wurde am 18. März in Actuators veröffentlicht. Emily Petersen war Mitautorin. Die Studie wurde durch eine Anschubfinanzierung finanziert, die Fang vom Department of Textile Engineering, Chemistry and Science der NC State erhielt.

Die Studie „Development of a Pneumatic-Driven Fiber-Shaped Robot Scaffold for Use as a Complex 3D Dynamic Culture System“ wurde am 21. April online in Biomimetics veröffentlicht. Zu den Co-Autoren gehörten neben Gluck, Hoque und Fang auch Nasif Mahmood, Kiran M. Ali, Eelya Sefat, Yihan Huang, Emily Petersen und Shane Harrington. Die Studie wurde vom NC State Wilson College of Textiles, dem Department of Textile Engineering, Chemistry and Science und dem Wilson College of Textiles Research Opportunity Seed Fund Program finanziert.

-oleniacz-

Hinweis für Redakteure:Die Zusammenfassung der Studie folgt.

Einfluss der Materialeigenschaften auf die Leistung faserförmiger pneumatischer Aktuatoren

Autoren: Muh Amdadul Hoque, Emily Petersen und Xiaomeng Fang

Veröffentlicht: 18. März 2023, Aktuatoren

DOI:10.3390/act12030129

Abstrakt: Dünne faserförmige pneumatische künstliche Muskeln (PAM) können bei Stimulation kontraktile Bewegungen erzeugen und sind bekannt für ihre gute Compliance, ihr hohes Gewicht-Leistungs-Verhältnis, ihre Ähnlichkeit mit tierischen Muskelbewegungen und vor allem für ihre Fähigkeit dazu integriert in Stoffe und andere textile Formen für tragbare Geräte. Dieses faserförmige Gerät, das auf der McKibben-Technologie basiert, besteht aus einer Elastomerblase, die von einer geflochtenen Hülle umwickelt ist, die die radiale Ausdehnung aufgrund der Änderung des Flechtwinkels der Hülle beim Aufblasen in eine Längskontraktion umwandelt. In diesem Artikel wird der Einfluss von Materialeigenschaften auf das Verhalten von faserförmigem PAM untersucht, einschließlich der Dimensions- und mechanischen Eigenschaften des Flechtgarns und der Blase. Es wurde eine Reihe von Proben mit Kombinationen aus Garn- und Blasenparametern entwickelt und charakterisiert. Es wurde ein robuster Herstellungsprozess angewendet, der durch mehrere Kalibrierungs- und Steuerungsexperimente von PAM verifiziert wurde, was eine genauere Charakterisierung der Aktoren gewährleistete. Die Ergebnisse zeigen, dass Materialeigenschaften wie Garnsteifigkeit, Garndurchmesser, Blasendurchmesser und Blasenhärte erhebliche Auswirkungen auf die erzeugten Verformungsspannungen und -kräfte von PAMs haben. Die Erkenntnisse können als grundlegende Leitlinien für die zukünftige Gestaltung und Entwicklung faserförmiger pneumatischer Aktoren dienen.

Entwicklung eines pneumatisch angetriebenen faserförmigen Robotergerüsts zur Verwendung als komplexes dynamisches 3D-Kultursystem

Autoren: Muh Amdadul Hoque*, Nasif Mahmood*, Kiran M. Ali, Eelya Sefat, Yihan Huang, Emily Petersen, Shane Harrington, Xiaomeng Fang und Jessica M. Gluck

*zu gleichen Teilen beigetragen

Veröffentlicht: 21. April 2023, Biomimetik

DOI: 10.3390/biomimetics8020170

Abstrakt: Zellen können unterschiedliche Arten kontinuierlicher mechanischer Belastung im menschlichen Körper wahrnehmen und darauf reagieren. Die mechanische Stimulation muss in das In-vitro-Kultursystem integriert werden, um die bestehende Komplexität biologischer In-vivo-Systeme besser nachzuahmen. Bestehende kommerzielle dynamische Kultursysteme sind im Allgemeinen zweidimensional (2D) und können die dreidimensionale (3D) native Mikroumgebung nicht nachahmen. In dieser Studie wurde ein pneumatisch angetriebener Faserroboter als Plattform für die dynamische 3D-Zellkultur entwickelt. Der Faserroboter kann bei Stimulation einstellbare Kontraktionen erzeugen. Die Oberfläche des Faserroboters wird durch eine Flechtstruktur gebildet, die einen vielversprechenden Oberflächenkontakt und ausreichend Platz für die Zellkultur bietet. Um NIH3T3-Zellen in einer kontrollierten Umgebung zu halten, wurde eine interne dynamische Stimulation mithilfe des Faserroboters eingerichtet. Die Biokompatibilität der entwickelten dynamischen Kultursysteme wurde mithilfe der LIVE/DEAD™- und alamarBlue™-Assays analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass das dynamische Kultursystem ähnlich wie statische Kulturen die Zellproliferation mit minimaler Zytotoxizität unterstützen konnte. Allerdings beobachteten wir bei einer hohen Belastungsrate in dynamischen Kulturen eine Abnahme der Zelllebensfähigkeit. Unterschiede in der Zellanordnung und -proliferation wurden zwischen geflochtenen Hüllen aus unterschiedlichen Materialien (Nylon und Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht) beobachtet. Zusammenfassend wurde ein einfaches und kostengünstiges dynamisches 3D-Kultursystem vorgeschlagen, das leicht implementiert werden kann, um komplexe biologische Phänomene in vitro zu untersuchen.