पेन स्टेट के शोधकर्ताओं के अनुसार, जैविक ऊतकों के भीतर कुछ व्यवहारों की नकल करने से पुनर्योजी चिकित्सा, रोग मॉडलिंग, नरम रोबोटिक्स और अधिक की नकल कर सकते हैं।
इस बिंदु तक बनाई गई सामग्री ऊतकों और बाह्य मैट्रिस (ईसीएम) की नकल करने के लिए – शरीर के जैविक मचान और अणुओं के जैविक मचान जो ऊतकों और कोशिकाओं को घेरते हैं और उनका समर्थन करते हैं – सभी की सीमाएं हैं जो टीम के अनुसार अपने व्यावहारिक अनुप्रयोगों में बाधा डालती हैं। उन सीमाओं में से कुछ को दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक जैव-आधारित, “लिविंग” सामग्री विकसित की, जो आत्म-चिकित्सा गुणों को शामिल करती है और यांत्रिक तनाव के लिए ईसीएम की जैविक प्रतिक्रिया की नकल करती है।
उन्होंने अपने परिणाम प्रकाशित किए सामग्री क्षितिजजहां जर्नल के कवर पर शोध भी दिखाया गया था।
“हमने एक सेल-मुक्त-या अकोशिकीय-सामग्री विकसित की है जो गतिशील रूप से ईसीएम के व्यवहार की नकल करती है, जो स्तनधारी ऊतकों के प्रमुख निर्माण ब्लॉक हैं जो ऊतक संरचना और सेल कार्यों के लिए महत्वपूर्ण हैं,” संगत लेखक अमीर शेख, के एसोसिएट प्रोफेसर ने कहा। केमिकल इंजीनियरिंग और डोरोथी फोहर हक और जे। लॉयड हॉक अर्ली करियर चेयर इन बायोमैटिरियल्स एंड रेज़ेनरेटिव इंजीनियरिंग।
शोधकर्ताओं के अनुसार, उनकी सामग्री के पिछले पुनरावृत्तियों-एक हाइड्रोजेल, या पानी से भरपूर बहुलक नेटवर्क-सिंथेटिक थे और ईसीएम के यांत्रिक जवाबदेही और जैविक नकल के वांछित संयोजन की कमी थी।
शेखी ने कहा, “विशेष रूप से, इन सामग्रियों को नॉनलाइनियर स्ट्रेन-स्टिफ़निंग को दोहराने की आवश्यकता होती है, जब ईसीएम नेटवर्क कोशिकाओं या बाहरी उत्तेजनाओं के कारण होने वाले भौतिक बलों के कारण होने वाले तनाव के तहत कठोर हो जाते हैं,” शेकी ने कहा, नॉनलाइनर स्ट्रेन-स्टिफ़िंग को समझाना संरचनात्मक सहायता और सुविधा सेल प्रदान करने के लिए महत्वपूर्ण है। सिग्नलिंग। “सामग्री को ऊतक संरचना और अस्तित्व के लिए आवश्यक स्व-चिकित्सा गुणों को दोहराने की आवश्यकता होती है। पूर्व सिंथेटिक हाइड्रोजेल को ईसीएम की सामग्री जटिलता, बायोकंपैटिबिलिटी और यांत्रिक नकल को संतुलित करने में कठिनाइयाँ थीं।”
टीम ने इन सीमाओं को “बालों वाली” नैनोकणों से बने अकोशिकीय नैनोकम्पोजिट लिविंग हाइड्रोजेल (लिवगेल्स) विकसित करके संबोधित किया। नैनोकणों को नैनोक्रेस्टल, या “nlinkers,” से बने होते हैं, जो कि अव्यवस्थित सेल्यूलोज चेन, या “बाल” के साथ होते हैं। ये बाल अनिसोट्रॉपी का परिचय देते हैं, जिसका अर्थ है कि nlinkers उनके दिशात्मक अभिविन्यास के आधार पर अलग -अलग गुण होते हैं और बायोपॉलिमर नेटवर्क के साथ गतिशील संबंध की अनुमति देते हैं। इस मामले में, नैनोकणों ने संशोधित एल्गिनेट के एक बायोपॉलिमेरिक मैट्रिक्स के साथ बंधुआ, जो एक प्राकृतिक पॉलीसेकेराइड है जो भूरे रंग के शैवाल में पाया जाता है।
शेकी ने कहा, “ये nlinkers मैट्रिक्स के भीतर गतिशील बॉन्ड बनाते हैं, जो तनाव-तनावपूर्ण व्यवहार को सक्षम करते हैं, अर्थात्, यांत्रिक तनाव के लिए ईसीएम की प्रतिक्रिया की नकल करते हैं; और आत्म-चिकित्सा गुण, जो क्षति के बाद अखंडता को बहाल करते हैं,” शेकी ने कहा, यह देखते हुए कि शोधकर्ताओं ने रियोलॉजिकल परीक्षण का इस्तेमाल किया, कौन सा उपाय करता है कि सामग्री विभिन्न तनावों के तहत कैसे व्यवहार करती है, यह मापने के लिए कि लिवगेल्स ने उच्च तनाव के बाद कितनी तेजी से अपनी संरचना को बरामद किया। “इस डिजाइन दृष्टिकोण ने प्राकृतिक ईसीएम से मेल खाने के लिए सामग्री के यांत्रिक गुणों के ठीक-ट्यूनिंग की अनुमति दी।”
गंभीर रूप से, शेकी ने कहा, यह सामग्री पूरी तरह से जैविक सामग्री से बना है और संभावित जैव -रासायनिक मुद्दों के साथ सिंथेटिक पॉलिमर से बचती है। पहले से विकसित सामग्रियों की सीमाओं को कम करने से परे, लिवगेल्स संरचनात्मक अखंडता का त्याग किए बिना nonlinear यांत्रिकी और आत्म-चिकित्सा के दोहरे लक्षणों को प्राप्त करते हैं। Nlinkers विशेष रूप से गतिशील इंटरैक्शन की सुविधा प्रदान करते हैं जो कठोरता और तनाव-स्थिर गुणों के सटीक नियंत्रण की अनुमति देते हैं। एक साथ लिया गया, डिजाइन दृष्टिकोण थोक, स्थैतिक हाइड्रोजेल को गतिशील हाइड्रोजेल में परिवर्तित करता है जो बारीकी से ईसीएम की नकल करते हैं।
संभावित अनुप्रयोगों में पुनर्योजी चिकित्सा के भीतर ऊतक की मरम्मत और पुनर्जनन के लिए मचान, दवा परीक्षण के लिए ऊतक व्यवहार का अनुकरण करना और रोग की प्रगति का अध्ययन करने के लिए यथार्थवादी वातावरण बनाना शामिल है। शोधकर्ताओं ने कहा कि इसका उपयोग 3 डी बायोप्रिंटिंग अनुकूलन योग्य हाइड्रोजेल के लिए या अनुकूलनीय यांत्रिक गुणों के साथ नरम रोबोटिक्स विकसित करने के लिए भी किया जा सकता है।
“हमारे अगले चरणों में विशिष्ट ऊतक प्रकारों के लिए लिवगेल्स का अनुकूलन करना, पुनर्योजी चिकित्सा के लिए विवो अनुप्रयोगों की खोज, 3 डी बायोप्रिंटिंग प्लेटफार्मों के साथ लिवगेल्स को एकीकृत करना और गतिशील पहनने योग्य या प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों में क्षमता की जांच करना शामिल है,” शेकी ने कहा।
पेन स्टेट में एक केमिकल इंजीनियरिंग पोस्ट-डॉक्टोरल विद्वान, और पेन स्टेट में केमिकल इंजीनियरिंग में डॉक्टरेट उम्मीदवार सिना खीरबादी, रॉय कोशानी पेपर पर सह-लेखक थे। शेखी बायोमेडिकल इंजीनियरिंग के विभागों, रसायन विज्ञान और न्यूरोसर्जरी के विभागों के साथ और जीवन विज्ञान के हक संस्थानों के साथ भी संबद्ध है।
इस शोध के लिए समर्थन पेन स्टेट द्वारा प्रदान किया गया था, जिसमें शामिल हैं: डोरोथी फोहर हक और जे। लॉयड हक अर्ली करियर चेयर; लिविंग मल्टीफ़ंक्शनल मटेरियल सिस्टम्स और एक्सीलेंस लिविंग, एडेप्टिव एंड एनर्जी-ऑटोनॉमस मटेरियल सिस्टम्स के क्लस्टर के लिए कन्वर्जेंस सेंटर बहुक्रियाशील सामग्री सहयोगात्मक अनुसंधान बीज अनुदान कार्यक्रम; सामग्री अनुसंधान संस्थान; और कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग सामग्री मानव स्तर के बीज अनुदान पर मायने रखती है।
