Vävnadsteknik har länge varit beroende av geometriskt statiska byggnadsställningar sådda med celler i labbet för att skapa nya vävnader och till och med organ. Ställningsmaterialet - vanligtvis en biologiskt nedbrytbar polymerstruktur - levereras med celler och celler, om de förses med rätt näringsämnen, utvecklas sedan till vävnad när den underliggande ställningen bryts ned biologiskt. Men denna modell ignorerar de utomordentligt dynamiska morfologiska processer som ligger till grund för den naturliga utvecklingen av vävnader.

Nu, forskare vid University of Illinois Chicago har utvecklat nya 4-D-hydrogeler – 3-D-material som har förmågan att ändra form över tid som svar på stimuli – som kan förvandlas flera gånger på ett förprogrammerat eller on-demand-sätt som svar på externa utlösa signaler.

I en ny Avancerad vetenskap studie, UIC-forskarna, ledd av Eben Alsberg, visa att dessa nya material kan användas för att hjälpa till att utveckla vävnader som mer liknar deras naturliga motsvarigheter, som är föremål för krafter som driver rörelse under deras bildande.

"Hydrogelerna kan programmeras eller induceras att genomgå flera kontrollerbara formförändringar över tiden. Denna strategi skapar experimentella förhållanden för att delvis härma eller stimulera de kontinuerliga olika formförändringarna som utvecklande eller läkande vävnader genomgår, och det kan låta oss studera morfogenes och även hjälpa oss att konstruera vävnadsarkitekturer som mer liknar inhemska vävnader, sa Alsberg, Richard och Loan Hill professor i biomedicinsk teknik och motsvarande författare på tidningen.

Det nya materialet består av olika hydrogeler som sväller eller krymper i olika hastigheter och omfattningar som svar på vatten eller koncentrationen av kalcium. Genom att skapa komplexa lagermönster, forskarna kan vägleda konglomeratmaterialet att böja sig på ett eller annat sätt när lagren sväller och/eller krymper.

"Vi kan ändra formen på dessa material genom att justera, till exempel, mängden kalcium som finns, sa Alsberg, som också är professor i ortopedi, farmakologi och maskin- och industriteknik vid UIC.

I sina experiment, forskarna kunde få hydrogelen att formas till fickor som liknar alveolernas form, de små säckliknande strukturerna i lungan där gasutbytet äger rum.

Inte bara kan Alsbergs hydrogeler ändra sin arkitektur flera gånger, men de är också mycket cytokompatibla, vilket innebär att de kan ha inkorporerade celler och cellerna förblir vid liv - något som många befintliga 4-D-material inte kan göra.

"Vi ser verkligen fram emot att tänja på gränserna för vad våra unika hydrogelsystem kan göra när det gäller vävnadsteknik, sa Aixiang Ding, postdoktoral forskarassistent vid UIC och medförfattare på uppsatsen. UIC:s Oju Jeon, forskningsprofessor, är också medförfattare.