I naturen, celler och vävnader samlas och organiserar sig i en matris av proteinfibrer som i slutändan bestämmer deras struktur och funktion, såsom hudens elasticitet och hjärtvävnadens kontraktilitet. Dessa naturliga designprinciper har nu framgångsrikt replikerats i labbet av bioingenjörer vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vid Harvard University.

Dessa bioingenjörer har utvecklat en ny teknik som kan användas för att regenerera hjärta och andra vävnader och för att göra nanometertjocka tyger som är både starka och extremt elastiska. Nyckelgenombrottet kom i utvecklingen av en matris som kan sätta ihop sig själv genom interaktion med en värmekänslig yta. Proteinsammansättningen av den matrisen kan anpassas för att generera specifika egenskaper, och nanotyget kan sedan lyftas av som ett ark genom att ändra temperaturen.

"Hittills har det varit mycket svårt att replikera denna extracellulära matris med konstgjorda material, sade Adam W. Feinberg, en postdoktor vid Harvard University som kommer att vara biträdande professor vid Carnegie Mellon University till hösten. "Men vi tänkte om celler kan bygga denna matris på ytan av sina membran, kanske vi kan bygga det själva på en yta också. Vi var glada över att se att vi kunde."

Feinberg är huvudförfattare till "Surface-Initiated Assembly of Protein Nanofabrics, " som visas i det aktuella numret av Nano Letters, en publikation från American Chemical Society. Medförfattare Kit Parker är en kärnfakultetsmedlem i Wyss Institute, Thomas D. Cabot docent i tillämpad vetenskap och docent i bioteknik vid SEAS, och en medlem av Harvard Stem Cell Institute.

Inom området för vävnadsregenerering, deras teknik, som kallas protein nanofabrics, utgör ett viktigt steg framåt. Nuvarande metoder för att regenerera vävnad involverar vanligtvis användning av syntetiska polymerer för att skapa en ställning. Men detta tillvägagångssätt kan orsaka negativa biverkningar när polymererna bryts ned. Däremot nanotyger är gjorda av samma proteiner som normal vävnad, och på så sätt kan kroppen bryta ner dem utan negativa effekter när de inte längre behövs. De första resultaten har producerat hjärtmuskelsträngar som liknar papillärmuskeln, vilket kan leda till nya strategier för reparation och regenerering i hela hjärtat.

"Med nanotyger, vi kan styra antalet trådar, orientering, och komposition, och den förmågan tillåter oss att skapa nya vävnadstekniska ställningar som styr regenerering, ", sade Parker. "Det gör det också möjligt för oss att utnyttja dessa proteiners egenskaper i nanoskala på nya sätt bortom medicinska tillämpningar. Det finns ett brett utbud av applikationer för denna teknik med hjälp av naturliga, eller designer, syntetiska proteiner."

Högpresterande textilier är den andra huvudapplikationen för denna teknik. Genom att ändra typen av protein som används i matrisen, forskare kan manipulera antalet trådar, fiberorientering, och andra egenskaper för att skapa tyger med extraordinära egenskaper. I dag, ett genomsnittligt gummiband kan sträckas 500 till 600 procent, men framtida textilier kan vara töjbara med så mycket som 1, 500 procent. Framtida tillämpningar för sådana textilier är så olika som formsydda kläder, bandage som påskyndar läkning, och industriell tillverkning.

Forskningen ingår i ett större program inom nanotextiler vid Wyss Institute och SEAS. I samma nummer av Nanobokstäver, Parkers team rapporterade också om utvecklingen av en ny teknik som tillverkar nanofibrer med hjälp av en höghastighets-, roterande stråle och munstycke. Denna uppfinning har potentiella tillämpningar som sträcker sig från konstgjorda organ och vävnadsregenerering till kläder och luftfilter.

"Wyss Institute är mycket stolta över att vara associerad med två sådana betydande upptäckter, " sa Donald E. Ingber, M.D., Ph.D., Grundare av Wyss Institute. "Det här är fantastiska exempel på att förverkliga vårt uppdrag att använda naturens designprinciper för att utveckla teknologier som kommer att ha en enorm inverkan på vårt sätt att leva."

Wyss Institute arbetar som en allians mellan Harvards medicinskolor, Teknik, och Arts &Sciences i samarbete med Beth Israel Deaconess Medical Center, Barnsjukhuset, Dana Farber Cancer Institute, University of Massachusetts Medical School, och Boston University.

Genom att efterlikna naturens principer för självorganisering och självreglering, Wyss forskare utvecklar innovativa nya lösningar för sjukvård, energi, arkitektur, robotik, och tillverkning. Dessa teknologier översätts till kommersiella produkter och terapier genom samarbeten med kliniska utredare och företagsallianser.