Forskare från NTU och CMU skapade en lövliknande hydrogelstruktur genom en process som liknar hur verkliga bladvävnader växer. Kredit:CMU och NTU
Forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) och Carnegie Mellon University (CMU) har hittat ett sätt att styra tillväxten av hydrogel, en geléliknande substans, för att efterlikna växt- eller djurvävnadsstruktur och former.
Teamets resultat, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences i dag, föreslå nya applikationer inom områden som vävnadsteknik och mjuk robotik där hydrogel ofta används. Teamet har också lämnat in ett patent vid CMU och NTU.
I naturen, växt- eller djurvävnader bildas när ny biomassa läggs till befintliga strukturer. Deras form är resultatet av att olika delar av dessa vävnader växer i olika takt.
Efterliknar detta beteende hos biologiska vävnader i naturen, forskargruppen bestående av CMU -forskare Changjin Huang, David Quinn, K. Jimmy Hsia och utsedda NTU:s president Subra Suresh, visade att genom manipulering av syrekoncentrationen, man kan mönstra och kontrollera tillväxthastigheten för hydrogeler för att skapa de önskade komplexa 3D-formerna.
Teamet fann att högre syrekoncentrationer bromsar tvärbindningen av kemikalier i hydrogelen, hämma tillväxten inom det specifika området.
Mekaniska begränsningar som mjuk tråd, eller ett glasunderlag som kemiskt binder till gelén, kan också användas för att manipulera självmontering och bildning av hydrogeler till komplexa strukturer.
En självmonterad hydrogelskål med vågig kant. Blå matfärglösning hålls i skålen för att visa dess strukturella integritet. Kredit:CMU och NTU
Sådana komplexa organstrukturer är nödvändiga för att utföra specialiserade kroppsfunktioner. Till exempel, människors tunntarm är täckt med mikroskopiska veck som kallas villi, som ökar tarmens yta för effektivare absorption av näringsämnen.
Den nya tekniken skiljer sig från tidigare metoder som skapar 3D-strukturer genom att lägga till/skriva ut eller subtrahera lager av material. Denna teknik, dock, förlitar sig på kontinuerlig polymerisation av monomerer inuti den porösa hydrogelen, liknande processen för utvidgning och spridning av levande celler i organiska vävnader. De flesta levande system antar en modell för kontinuerlig tillväxt, så den nya tekniken som efterliknar detta tillvägagångssätt kommer potentiellt att vara ett kraftfullt verktyg för forskare att studera tillväxtfenomen i levande system.
"Bättre kontroll över tillväxten och självmonteringen av hydrogeler till komplexa strukturer erbjuder en rad möjligheter inom medicin och robotteknik. Ett område som är till fördel är vävnadsteknik, där målet är att ersätta skadade biologiska vävnader, såsom vid knäreparationer eller för att skapa konstgjorda lever, " sa professor Subra Suresh, som tillträder som NTU:s ordförande den 1 januari 2018.
Tillväxtkontrollerade och strukturkontrollerade hydrogeler är också användbara vid studier och utveckling av flexibel elektronik och mjuk robotik, ger ökad flexibilitet jämfört med konventionella robotar, och efterlikna hur levande organismer rör sig och reagerar på sin omgivning.
