Experimentella demonstrationer av att bilda ett sadelformat blad genom syrediffusionsförmedlad differentiell polymerisation av polyakrylamidgeler. Upphovsman:K. Jimmy Hsia
Medan vi vet vilket trädblad, ett blomblad, och ett mänskligt hjärta ser ut som, vi förstår inte alltid den djupare frågan om hur de växer som de gör – en process som kallas morfogenes. Forskare vid Carnegie Mellon University och Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat en ny teknik för att producera syntetiska geler som kan ge oss en ledtråd.
I naturen, organvävnadsmorfogenes sker genom tillväxt av olika delar i olika takt, styrs ofta av koncentrationen av tillväxtfaktorer. Ett forskarteam på Carnegie Mellon, inklusive K. Jimmy Hsia, Changjin Huang, David Quinn, och Subra Suresh (tidigare president för Carnegie Mellon och utsedd president för NTU), använda syreinhiberad polymerisation för att odla komplexa 3D-strukturer av polyakrylamid (PA) geler, härma naturliga processer. De har hittat ett sätt att kontrollera koncentrationen av syre i odlingsmiljön och, med mekaniska begränsningar, gör det möjligt för gelerna att själv montera till komplexa former i en process som kan hjälpa till att förklara hur våra egna organ och vävnader tar form. Teamets resultat publicerades nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Den nya tekniken skiljer sig från tidigare ingenjörsmetoder, som skapar 3D-strukturer genom att lägga till eller subtrahera materiallager. Denna teknik bygger på kontinuerlig polymerisation av monomerer inuti den porösa hydrogeln, liknande processen för utvidgning och spridning av levande celler i organiska vävnader.
Experimentella demonstrationer av att bilda ett sadelformat blad genom syrediffusionsförmedlad differentiell polymerisation av polyakrylamidgeler. Kredit:K. Jimmy Hsia
"Tekniken ger ett potentiellt kraftfullt verktyg för forskare att studera tillväxtfenomen i levande system, sa Hsia, professor i maskinteknik och biomedicinsk teknik, och även vice provost för internationella program och strategi på Carnegie Mellon.
Hsias team är det första som använder denna process för att kontrollera gelens tillväxt och skapa komplexa former genom molekylär självmontering i PA-geler.
"Med förmågan att kontrollera tillväxt och självmontering av hydrogeler till komplexa strukturer, sa Suresh, "Forskare kan en dag kunna generera syntetiska organ och vävnader för att ersätta sjuka och skadade biologiska vävnader."
Skapande av en blomkrukformad 3D-struktur genom molekylär självmontering av mjuka geler med mekaniska begränsningar. Kredit:K. Jimmy Hsia
Forskare kan använda denna process för att bilda olika hydrogel-3D-former och arkitekturer för vävnadsteknik, mjuk robotik, och flexibel elektronik.
Projektet finansierades av ett bidrag från National Institute of Health och Carnegie Mellon University. Carnegie Mellon och NTU har ansökt om patent på denna metod.
