Forskare har skapat syntetiska mjuka ytor med tungliknande texturer för första gången med hjälp av 3D-utskrift, öppnar nya möjligheter för att testa orala bearbetningsegenskaper hos livsmedel, näringsteknik, läkemedel och muntorrhetsterapier.

Brittiska forskare under ledning av University of Leeds i samarbete med University of Edinburgh har replikerat den mycket sofistikerade ytdesignen på en mänsklig tunga och visat att deras tryckta syntetiska silikonstruktur efterliknar topologin, elasticitet och vätbarhet av tungans yta.

Dessa faktorer är avgörande för hur mat eller saliv interagerar med tungan, vilket i sin tur kan påverka munkänslan, svälja, Tal, näringsintag och livskvalitet.

En biomimetisk tunga kommer att hjälpa utvecklare att utföra screening av nydesignade produkter och påskynda de nya utvecklingsprocesserna utan att man behöver göra mänskliga prövningar i tidiga skeden som ofta är mycket dyra och tidskrävande.

Särskilt, sedan covid-19-pandemin började, social distansering har inneburit betydande utmaningar för att genomföra sådana sensoriska prövningar och konsumenttester. En biomimetisk tunga kommer att vara oerhört hjälpsam för att öka utvecklingsproduktiviteten och minska tillverkarnas beroende av mänskliga försök i de tidiga stadierna.

En biomimetisk tunga kan ytterligare erbjuda otaliga applikationer för att bekämpa förfalskning i livsmedel och andra oralt administrerade läkemedel oavsett om texturegenskaper är styrande egenskaper och kan spara enorma ekonomiska förluster.

Den komplexa karaktären hos tungans biologiska yta har ställt till utmaningar i artificiell replikation, lägga till stora hinder för utveckling och screening av effektiva långvariga behandlingar eller behandlingar för muntorrhetssyndrom-ungefär 10% av den allmänna befolkningen och 30% av äldre människor lider av muntorrhet.

Studera huvudförfattare, Dr Efren Andablo-Reyes genomförde denna forskning medan han var postdoktor vid School of Food Science and Nutrition i Leeds. Han sa:"Att återskapa ytan på en genomsnittlig mänsklig tunga kommer med unika arkitektoniska utmaningar. Hundratals små knoppliknande strukturer som kallas papilla ger tungan dess karaktäristiska grova textur som i kombination med vävnadens mjuka natur skapar ett komplicerat landskap från en mekaniskt perspektiv.

"Vi fokuserade vår uppmärksamhet på den främre dorsala delen av tungan där några av dessa papiller innehåller smakreceptorer, medan många av dem saknar sådana receptorer. Båda typerna av papiller spelar en avgörande roll för att ge rätt mekanisk friktion för att underlätta matbearbetning i munnen med tillräcklig mängd saliv, ger en behaglig munkänsla och rätt smörjning för att svälja.

"Vi strävade efter att replikera dessa mekaniskt relevanta egenskaper hos det mänskliga tungan på en yta som är lätt att använda i laboratoriet för att replikera orala bearbetningsförhållanden."

Studien som sammanförde unik expertis inom matkolloidvetenskap, mjuk materiens fysik, tandvård, maskinteknik och datavetenskap publiceras idag i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt .

Teamet tog silikonavtryck av tungans ytor från femton vuxna. Avtrycken skannades optiskt i 3D för att kartlägga papillerdimensioner, densitet och den genomsnittliga grovheten hos tungorna. Texturen på en mänsklig tunga visade sig likna en slumpmässig layout.

Teamet använde datorsimuleringar och matematisk modellering för att skapa en 3-D-tryckt artificiell yta för att fungera som en form som innehåller brunnar med formen och dimensionerna av de olika papillerna slumpmässigt fördelade över ytan med rätt densitet. Detta gjordes i replik mot elastomerer med optimerad mjukhet och vätbarhet.

University of Edinburgh medförfattare, Rik Sarkar från School of Informatics sa:"Slumpmässigheten i fördelningen av papiller tycks spela en viktig sensorisk roll för tungan.

"Vi definierade ett nytt koncept som kallas kollisionssannolikhet för att mäta mekanosenning som kommer att ha stor inverkan på detta område. I framtiden, vi kommer att använda en kombination av maskininlärning och beräkningstopologi för att skapa tungmodeller av olika friska och sjuka individer för att hantera olika orala tillstånd."

Den konstgjorda ytan trycktes sedan i 3D med digital ljusbearbetningsteknik baserad på School of Mechanical Engineering i Leeds.

Teamet körde en rad experiment med olika komplexa vätskor för att säkerställa att den tryckta ytans vätbarhet - hur en vätska håller kontakten och sprider sig över en yta - och smörjprestandan var densamma som den mänskliga tungans intryck.

Medförfattare Dr. Michael Bryant från School of Mechanical Engineering i Leeds sa:"Tillämpningen av biotribologiska principer, studier av friktion och smörjning, i skapandet av denna tungliknande yta är ett betydande steg framåt på detta område.

"Möjligheten att producera exakta kopior av tungans ytor med liknande struktur och mekaniska egenskaper hjälper till att effektivisera forskning och utveckling för munvård, livsmedelsprodukter och terapeutisk teknik."

Chefsutredare Anwesha Sarkar, Professor i kolloider och ytor i Leeds, sa:"Att noggrant kartlägga och replikera tungans yta och att kombinera det med ett material som approximerar elasticiteten hos mänsklig tunga var ingen liten uppgift. Att utnyttja expertis från flera STEM-discipliner, vi har visat den oöverträffade förmågan hos en 3-D-tryckt silikonyta för att efterlikna den mekaniska prestandan hos den mänskliga tungan.

"Vi tror att tillverkning av en syntetisk yta med relevanta egenskaper som efterliknar de intrikata arkitektoniska egenskaperna, och ännu viktigare är smörjprestandan hos den mänskliga tungan av största vikt för att få kvantitativ förståelse för hur vätskor interagerar i munhålan.

"Denna biomimetiska tungytan kan också fungera som ett unikt mekaniskt verktyg för att upptäcka förfalskning i mat och högt värderade drycker baserat på texturegenskaper, som är ett globalt bekymmer och kan bidra till att säkerställa livsmedelssäkerheten.

"I sista hand, vår förhoppning är att den yta vi har designat kan vara viktig för att förstå hur tungans biomekanik underbygger grunderna för mänsklig matning och tal.