Нановолокнистая пряжа предназначена для эластичных защитных искусственных тканей

Человеческое тело удерживается вместе сложной системой из сухожилий и мышц, созданной по своей природе, чтобы быть жесткими и легко растягиваемыми. Повреждение любой из этих тканей, особенно в большом суставе, таком как плечо или колено, может потребовать хирургического вмешательства и недель ограниченной подвижности для полного заживления.

Теперь инженеры MIT разработали технологию тканевой инженерии, которая может обеспечить гибкий диапазон движений в поврежденных сухожилиях и мышцах во время заживления. Команда разработала небольшие катушки, покрытые живыми клетками, которые, по их словам, могли бы служить в качестве эластичных каркасов для восстановления поврежденных мышц и сухожилий. Катушки изготовлены из сотен тысяч биосовместимых нановолокон, плотно скрученных в катушки, напоминающие миниатюрную морскую веревку или пряжу.

Исследователи покрыли пряжу живыми клетками, в том числе мышечными и мезенхимальными стволовыми клетками, которые естественным образом растут и выравниваются вдоль пряжи по образцу, подобному мышечной ткани. Исследователи обнаружили, что спиральная конфигурация пряжи помогает поддерживать жизнеспособность и рост клеток, даже если команда несколько раз растягивала и сгибала пряжу.

В будущем, исследователи предполагают, что врачи смогут вылечить поврежденные сухожилия и мышцы пациентов с помощью этого нового гибкого материала, который будет покрыт теми же клетками, которые составляют поврежденную ткань. Растяжение «пряжи» может помочь поддерживать диапазон движения пациента, в то время как новые клетки продолжают расти, чтобы заменить поврежденную ткань.

«Когда вы лечите мышцы или сухожилия, вам действительно нужно на некоторое время зафиксировать их движение», - говорит Мин Гуо, доцент кафедры машиностроения в MIT. «Надеюсь, что благодаря этой нановолоконной нити вам не придется долго лечить повреждения». Гуо и его коллеги опубликовали свои результаты в трудах Национальной академии наук. Его соавторами MIT являются Yiwei Li, Yukun Hao, Satish Gupta и Jiliang Hu. В состав команды также входят Фэнъюнь Го, Яцинг Ван, Ню Ван и Юн Чжао из университета Бейхан.

История создания

Новая нановолоконная пряжа была частично вдохновлена предыдущей работой группы над мембранами из лобстера, где они обнаружили, что жесткое, но эластичное брюшко ракообразного происходит из-за слоистой, фанероподобной структуры. Каждый микроскопический слой содержит сотни тысяч нановолокон, все выровнены в одном направлении под углом, слегка смещенным относительно слоя чуть выше и ниже.

Точное выравнивание нановолокон делает каждый отдельный слой очень растяжимым в направлении, в котором расположены волокна. Го, чья работа сосредоточена на биомеханике, рассматривал естественную растягивающую структуру лобстера как источник вдохновения для создания искусственных тканей, особенно для областей тела с высокой степенью растяжения, таких как плечо и колено. Го говорит, что биомедицинские инженеры внедрили мышечные клетки в другие эластичные материалы, такие как гидрогели, в попытке создать гибкие искусственные ткани.

Однако, хотя сами гидрогели являются эластичными и жесткими, встроенные клетки имеют тенденцию разрываться при растяжении, как папиросная бумага, застрявшая на кусочке жевательной резинки. «Когда вы в значительной степени деформируете материал, такой как гидрогель, он будет очень хорошо растягиваться, но клетки не выдержат», - говорит Гуо. «Живые клетки чувствительны, и когда вы их растягиваете, они умирают».

Свойства материала

Исследователи поняли, что простого рассмотрения растяжимости материала недостаточно для создания искусственной ткани. Этот материал также должен быть в состоянии защитить клетки от тяжелых деформаций, возникающих при растяжении материала. Команда исследователей обратилась к мышцам и сухожилиям для дальнейшего вдохновения и заметила, что ткани состоят из прядей выровненных белковых волокон, скрученных вместе, чтобы сформировать микроскопические спирали, вдоль которых растут мышечные клетки.

Оказывается, что, когда протеиновые спирали растягиваются, мышечные клетки просто вращаются, как крошечные кусочки папиросной бумаги, застрявшие в обтяжку. Гуо пытался воспроизвести эту естественную, эластичную, защищающую клеточную структуру как искусственный тканевый материал. Чтобы сделать это, команда сначала создала сотни тысяч выровненных нановолокон, используя электроспиннинг, технику, которая использует электрическую силу для вытягивания ультратонких волокон из раствора полимера или других материалов.

В этом случае он создал нановолокна, изготовленные из биосовместимых материалов, таких как целлюлоза. Затем команда связала выровненные волокна и медленно скрутила их, образуя сначала спираль, а затем еще более плотную катушку, в конечном итоге напоминающую пряжу и имеющую ширину около полумиллиметра. Наконец, они высеяли живые клетки вдоль каждой спирали, включая мышечные клетки.

Затем исследователи неоднократно растягивали каждую катушку в шесть раз по сравнению с ее первоначальной длиной и обнаружили, что большинство клеток на каждой катушке оставались живыми и продолжали расти по мере растягивания катушек. Интересно, что, когда они высевали клетки на более свободные спиралевидные структуры, сделанные из тех же материалов, они обнаружили, что клетки с меньшей вероятностью остаются живыми.

Го говорит, что структура более плотных катушек, кажется, «защищает» клетки от повреждений. В дальнейшем группа планирует изготовить аналогичные катушки из других биосовместимых материалов, таких как шелк, которые в конечном итоге могут быть введены в поврежденную ткань. Катушки могут обеспечить временную, гибкую основу для роста новых клеток. Как только клетки успешно восстановят травму, основа может раствориться.

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