Ingenjörer vid ETH Zürich har upptäckt att mjuk biologisk vävnad deformeras mycket annorlunda under spänning än vad som tidigare antagits. Deras resultat används redan i medicinska forskningsprojekt.

I livmodern, det ofödda barnet flyter i en fostersäck fylld med fostervatten. Barnets mjuka utveckling är beroende av att denna påse förblir intakt. Dock, det är möjligt för skyddsbehållaren att gå sönder efter ingrepp som fostervattenprov eller fosterkirurgi – eller till och med spontant.

Sträckt vävnad tappar volym

Med utgångspunkt i sådana medicinska problem, forskare i gruppen ledd av Edoardo Mazza, Professor vid ETH Zürichs Institute for Mechanical Systems, studerade hur delar av fostervattensäcken, och andra mjuka biologiska vävnader, deformeras under en dragbelastning. En av deras viktigaste – och överraskande – upptäckter är att vävnad förlorar massa när den sträcker sig, med en fysiologisk sträckning på 10 procent vilket leder till en genomsnittlig förlust på cirka 50 procent.

"Detta motsäger det rådande paradigmet att även om sådan mjuk biologisk vävnad kan deformeras avsevärt, dess volym förblir oförändrad, " förklarar Mazza. Genom att ta mätningar av vävnadsprover, hans grupp kunde visa att volymen går förlorad på grund av att vätska som lagrats mellan celler och kollagenfibrer i vävnaden kommer ut från det sträckta området.

Interaktion mellan mekanik och kemi

Alexander Ehret, teamledare i Mazzas grupp, och hans kollegor använde omfattande datorsimuleringar för att klargöra mekanismen som är ansvarig för detta. Grunden är inriktningen av kollagenfibrer i vävnaden. Fibrerna bildar ett slags tredimensionellt nätverk, där de löper i alla riktningar inom ett plan, visar endast en liten lutning utanför planet.

Om detta nätverk dras, alla kollagenfibriller som ligger mer eller mindre i dragriktningen rör sig närmare varandra i en saxliknande rörelse, pressa ut vätskan ur vävnaden. Fibrerna är oskadade, eftersom de huvudsakligen är förskjutna mot planet och endast något sträckta.

Volymförlusten är reversibel. När vävnaden slappnar av igen, det återabsorberar vatten från den omgivande vävnaden. "Anledningen är negativt laddade makromolekyler som är fast bundna till kollagenfibrerna, " förklarar Mazza. De får vattnet att flöda tillbaka in i vävnaden enligt principerna för osmos. I experiment, denna process kan upprepas gång på gång.

Att sätta vävnad på prov

Denna förtätning av kollagenfibrerna är extremt användbar, särskilt vid skador, som forskarna upptäckte i ytterligare experiment:om en spänd bit av mjuk biologisk vävnad skärs upp bildas en spricka, men kollagenfibrerna samlas då i spetsen av revan. "Om vävnaden sträcks ytterligare, denna förstärkning är vanligtvis tillräckligt för att förhindra att tårorna växer, " förklarar Ehret.

Forskarna har ägnat det senaste decenniet åt att utveckla dedikerade enheter, hjälpmedel och protokoll som de använder för att analysera det mekaniska beteendet hos mjuka biologiska vävnader. Som ett resultat, de har kunnat sträcka ut både stora och mikroskopiskt små vävnadsbitar i en eller flera riktningar – t.ex. genom inflation. De lyckades också kvantifiera vävnadens respons och beskriva och förklara de observerade effekterna med hjälp av datorsimuleringar baserade på algoritmer, som de också utvecklat själva.

Direkt medicinska tillämpningar

Dock, Mazza och Ehret var inte bara intresserade av att förstå hur vävnad beter sig under en dragbelastning. "Vi är ingenjörer, " säger Mazza. Som sådan, de föredrar att arbeta med lösningar på verkliga problem. De nya rönen införlivas därför direkt i att hantera specifika medicinska utmaningar, som "vävnadsteknik", artificiell produktion av biologisk vävnad avsedd att regenerera eller ersätta skadad vävnad hos patienter.

Baserat på deras nya rön, forskarna vill först titta på de substrat som vävnaden växer på.

"Vårt mål är att skapa de mest fysiologiskt exakta förhållandena för den konstruerade vävnaden – det vill säga, att imitera naturen så nära som möjligt, " säger Mazza. Han och hans kollegor är övertygade om att celler i växande vävnad tar emot signaler från substratet som sedan spelar en viktig roll för att bestämma egenskaperna hos ersättningsvävnaden.

Forskarna lägger en grundläggande roll till samspelet mellan kemi och mekanik. "Det är viktigt att underlaget har rätt egenskaper, inklusive i synnerhet det korrekta samspelet mellan laddade makromolekyler och kollagenfibrer, " förklarar Ehret.

Ny hud för brännskadade

Forskarna planerar att delta i ett projekt vid University Children's Hospital Zürich som syftar till att odla ersättningshud för brännskador snabbare och mer effektivt. Detta samarbete kommer att ske inom ramen för flaggskeppsprojektet Skintegrity som drivs av University Medicine Zürich. Forskarna lämnade in ett motsvarande projektförslag till Swiss National Science Foundation i slutet av september.

Dock, Mazzas grupp tillämpar redan sin expertkunskap på ett projekt vid universitetssjukhuset i Zürich som handlar om revor i fostersäcken. Detta projekt syftade initialt till att fastställa de egenskaper som krävs av vävnaden för att reparera sådana skador. Nu, deras fokus har vänts till frågan om varför dessa tårar uppstår i första hand. När de hanterar den här typen av frågor känner ingenjörerna sig i sitt esse. "För att kunna bidra till sådana medicinska projekt, säger Mazza, "är väldigt motiverande."