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, veröffentlicht in AktuatorenDie Forscher konzentrierten sich auf den Einfluss der Materialien auf die Stärke und Kontraktionslänge künstlicher Muskeln. Die Erkenntnisse könnten Forschern helfen, die Fasern für verschiedene Anwendungen anzupassen.
In der zweiten, Proof-of-Concept-Studie veröffentlicht in Biomimetik, 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 der Materialeigenschaften auf die Leistung faserförmiger pneumatischer Aktuatoren“ wurde in veröffentlicht Aktuatoren am 18. März. Emily Petersen war Co-Autorin.
Die Studie „Entwicklung eines pneumatisch angetriebenen faserförmigen Robotergerüsts zur Verwendung als komplexes dynamisches 3D-Kultursystem“ wurde online veröffentlicht in Biomimetik am 21. April. 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.
Mehr Informationen:
Muh Amdadul Hoque et al., Einfluss von Materialeigenschaften auf die Leistung faserförmiger pneumatischer Aktuatoren, Aktuatoren (2023). DOI: 10.3390/act12030129
Muh Amdadul Hoque et al., Entwicklung eines pneumatisch angetriebenen faserförmigen Robotergerüsts zur Verwendung als komplexes dynamisches 3D-Kultursystem, Biomimetik (2023). DOI: 10.3390/biomimetics8020170