Människokroppen hålls samman av ett intrikat kabelsystem av senor och muskler, konstruerad av naturen för att vara tuff och mycket töjbar. En skada på någon av dessa vävnader, särskilt i en större led som axeln eller knäet, kan kräva kirurgiska reparationer och veckor av begränsad rörlighet för att helt läka.

Nu har MIT-ingenjörer kommit fram till en vävnadsteknisk design som kan möjliggöra flexibel rörelseomfång i skadade senor och muskler under läkning.

Teamet har konstruerat små spolar fodrade med levande celler, som de säger skulle kunna fungera som stretchiga ställningar för att reparera skadade muskler och senor. Spolarna är gjorda av hundratusentals biokompatibla nanofibrer, tätt vridna till spolar som liknar nautiska miniatyrrep, eller garn.

Forskarna belade garnet med levande celler, inklusive muskel- och mesenkymala stamceller, som naturligt växer och anpassar sig längs garnet, in i mönster som liknar muskelvävnad. Forskarna fann att garnets lindade konfiguration hjälper till att hålla cellerna levande och växande, även när laget sträckte ut och böjde garnet flera gånger.

I framtiden, forskarna föreställer sig att läkare skulle kunna fodra patienters skadade senor och muskler med detta nya flexibla material, som skulle beläggas med samma celler som utgör den skadade vävnaden. "Garnets" töjbarhet kan hjälpa till att bibehålla patientens rörelseomfång medan nya celler fortsätter att växa för att ersätta den skadade vävnaden.

"När du reparerar muskler eller senor, du måste verkligen fixa deras rörelse under en period, genom att bära en stövel, till exempel, säger Ming Guo, biträdande professor i maskinteknik vid MIT. "Med detta nanofibergarn, hoppet är, du behöver inte bära något sådant."

Guo och hans kollegor publicerade sina resultat denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences . Hans MIT-medförfattare är Yiwei Li, Yukun Hao, Satish Gupta, och Jiliang Hu. I teamet ingår även Fengyun Guo, Yaqiong Wang, Nu Wang, och Yong Zhao, vid Beihang University.

Fastnat på tuggummi

Det nya nanofibergarnet inspirerades delvis av gruppens tidigare arbete med hummermembran, där de hittade kräftdjurets tuffa men ändå stretchiga underbuk beror på en skiktad, plywoodliknande struktur. Varje mikroskopiskt lager innehåller hundratusentals nanofibrer, alla inriktade i samma riktning, i en vinkel som är något förskjuten från lagret precis ovanför och under.

Nanofibrernas exakta inriktning gör att varje enskilt lager är mycket töjbart i den riktning som fibrerna är anordnade. Guo, vars arbete fokuserar på biomekanik, såg hummerns naturliga stretchiga mönster som en inspiration för att designa konstgjorda vävnader, speciellt för högtöjbara delar av kroppen som axel och knä.

Guo säger att biomedicinska ingenjörer har bäddat in muskelceller i andra stretchiga material som hydrogeler, i försök att skapa flexibla konstgjorda vävnader. Dock, medan hydrogelerna i sig är stretchiga och sega, de inbäddade cellerna tenderar att knäppa när de sträcks ut, som silkespapper som fastnat på en bit tuggummi.

"När du till stor del deformerar ett material som hydrogel, det kommer att sträckas bra, men cellerna kan inte ta det, " säger Guo. "En levande cell är känslig, och när du sträcker dem, de dör."

Skydd i en slinky

Forskarna insåg att det inte skulle räcka att bara tänka på töjbarheten hos ett material för att designa en konstgjord vävnad. Det materialet skulle också behöva kunna skydda cellerna från de svåra påfrestningar som uppstår när materialet sträcks.

Teamet tittade på faktiska muskler och senor för ytterligare inspiration, och observerade att vävnaderna är gjorda av strängar av inriktade proteinfibrer, lindade ihop för att bilda mikroskopiska helixar, längs vilka muskelceller växer. Det visar sig att, när proteinslingorna sträcker ut sig, muskelcellerna roterar helt enkelt, som små bitar av silkespapper som fastnat på en slinky.

Guo försökte replikera detta naturliga, elastisk, cellskyddande struktur som ett artificiellt vävnadsmaterial. Att göra så, teamet skapade först hundratusentals anpassade nanofibrer, med hjälp av elektrospinning, en teknik som använder elektrisk kraft för att spinna ut ultratunna fibrer från en lösning av polymer eller andra material. I detta fall, han genererade nanofibrer gjorda av biokompatibla material som cellulosa.

Teamet buntade sedan ihop fibrer i linje med varandra och vred dem långsamt för att först bilda en spiral, och sedan en ännu tätare spole, ytterst som liknar garn och är cirka en halv millimeter brett. Till sist, de sådde levande celler längs varje spole, inklusive muskelceller, mesenkymala stamceller, och mänskliga bröstcancerceller.

Forskarna sträckte sedan upprepade gånger varje spole upp till sex gånger sin ursprungliga längd, och fann att majoriteten av cellerna på varje spole förblev vid liv och fortsatte att växa när spiralerna sträcktes. Intressant, när de sådde celler på lösare, spiralformade strukturer gjorda av samma material, de fann att cellerna var mindre benägna att förbli vid liv. Guo säger att strukturen hos de tätare spolarna verkar "skydda" celler från skador.

Går framåt, gruppen planerar att tillverka liknande spolar av andra biokompatibla material som silke, som i slutändan kan injiceras i en skadad vävnad. Spolarna kan ge en tillfällig, flexibel ställning för nya celler att växa. När cellerna lyckats reparera en skada, ställningen kan lösas upp.

"Vi kanske en dag kan bädda in dessa strukturer under huden, och materialet skulle så småningom smältas, medan de nya cellerna stannar kvar, " säger Guo. "Det fina med den här metoden är, det är verkligen allmänt, och vi kan prova olika material. Detta kan tänja mycket på gränsen för vävnadsteknik."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.