Odkrycia otwierają drzwi dla nowych narzędzi diagnostycznych i chirurgicznych.
Urządzenia do połykania są powszechnie używane do badania i leczenia tkanek w trudno dostępnych obszarach ciała. Kapsułki te, zwykle połykane w postaci tabletek, przemieszczają się przez przewód pokarmowy, rejestrując obrazy lub dostarczając leki.
Chociaż najprostsze urządzenia biernie przemieszczają się przez jelita, istnieje wiele zastosowań, w których korzystne może być przyleganie urządzenia do tkanki lub innych elastycznych powierzchni.
Istnieje bogata historia rozwiązań inspirowanych biologią, które zaspokajają tę potrzebę, począwszy od rzepów inspirowanych kąkolem po kleje medyczne inspirowane ślimakami, ale tworzenie na żądanie odwracalnych mechanizmów mocowania, które można włączyć do urządzeń w skali milimetrowej do wykrywania biomedycznego i diagnostyka pozostaje wyzwaniem.
Inspirację zaczerpnął nowy interdyscyplinarny projekt prowadzony przez Roberta Wooda, profesorów inżynierii i nauk stosowanych Harry’ego Lewisa i Marlyn McGrath w Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) oraz Jamesa Weavera z Harvard’s Wyss Institute. z nieoczekiwanego źródła: świata pasożytów.
„Pasożytniczy gatunek cieszą się raczej wątpliwą reputacją wśród ogółu społeczeństwa ze względu na często przerażające kształty ciała i nieznane cykle życiowe, które wyglądają jak rodem z filmów science fiction” – powiedział Weaver. „Mimo tego ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że gatunki te są szczególnie dobrze przystosowane do zakotwiczania się w szerokiej gamie różnych typów tkanek żywiciela przy użyciu niezwykle zróżnicowanego zestawu narządów przyczepnych specyficznych dla gatunku i tkanki. Cechy te czynią je idealnymi systemami modelowymi do opracowywania specyficznych dla danego zastosowania mechanizmów kotwiczenia tkanek syntetycznych do zastosowań biomedycznych”.
„Naśladowanie zarówno morfologii, jak i funkcjonalności tych złożonych struktur biologicznych jest niezwykle trudnym problemem i wymaga wiedzy z wielu dziedzin, w tym robotyki, mikrofabrykacji, projektowania urządzeń medycznych i zoologii bezkręgowców” – powiedział Wood.
Badanie zostało opublikowane w Nexus PNAS.
Naśladujące mechanizmy przyczepiania się tasiemca
Aby naśladować okrągły, haczykowaty narząd przyczepowy występujący u kilku gatunków tasiemców jelitowych, jako wstępny dowód koncepcji, badacze zastosowali metodę wytwarzania wielu materiałów, warstwa po warstwie, inspirowaną przemysłem płytek drukowanych. Jedną z kluczowych cech konstrukcyjnych mechanizmu jest jego promieniowo symetryczna architektura, która pozwoliła na stworzenie biologicznie dokładnego zakresu ruchu z prostych, płaskich elementów.
„Zastosowanie stosunkowo prostych mechanizmów łączących pozwala na zastosowanie procesów produkcji laminatów, co oferuje kilka zalet w porównaniu z konwencjonalnymi metodami wytwarzania” – powiedział Gabriel Maquignaz, wizytujący doktorant w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Lozannie i pierwszy autor artykułu.
„Na przykład urządzenia można wyprodukować na płasko, a następnie szybko i łatwo złożyć do ostatecznej geometrii 3D przy użyciu w dużej mierze zautomatyzowanego procesu przypominającego wysuwaną książkę” – powiedział Mike Karpelson, starszy inżynier elektryk w SEAS i ekspert w tej dziedzinie przebieg procesu produkcyjnego.
Co więcej, ze względu na szybki czas realizacji i niewielkie rozmiary wytwarzanych urządzeń, to podejście produkcyjne zapewnia metodę prototypowania o niskiej ilości odpadów na etapach badań i rozwoju urządzenia.
Konstrukcja i funkcjonalność urządzenia
Ostateczny projekt urządzenia zawiera sztywne elementy konstrukcyjne ze stali nierdzewnej sklejone klejem z polimerowymi zawiasami. Całe urządzenie po rozłożeniu ma średnicę mniejszą niż 5 milimetrów i waży zaledwie 44 mikrogramy. Kiedy styka się z powierzchnią tkanki, uruchamia się mechanizm spustowy, który powoduje obrót haczyków kotwiących i penetrację sąsiadującej tkanki miękkiej. Ponieważ każdy haczyk porusza się po zakrzywionej trajektorii, przebija skórę jedynie bezpośrednio na drodze penetracji – podobnie jak haczyki tasiemca – powodując minimalne uszkodzenie tkanki. Ze względu na niewielkie rozmiary urządzenia i zintegrowaną sprężynę elastomerową, haczyki można rozłożyć w czasie krótszym niż 1 milisekunda.
Autorzy dodają ponadto, że ze względu na względną prostotę i możliwości dostosowania tej metody produkcji, rozmiary wytworzonych urządzeń można dalej zmniejszać na potrzeby przyszłych iteracji.
„Jesteśmy bardzo podekscytowani możliwością zastosowania wniosków wyciągniętych z tych badań do dalszego poszerzenia przestrzeni projektowej, aby uwzględnić plany ciała innych pasożytów oraz inne tkanki biologiczne i zastosowania terapeutyczne” – powiedziała Rachel Zoll, doktorantka w SEAS specjalizująca się w projektowaniu urządzeń biomedycznych i drugi autor artykułu.
„Jednym z najbardziej intrygujących aspektów tych wysiłków badawczych jest to, że zapewniają one bardzo potrzebne stanowisko doświadczalne do badania, w jaki sposób anatomia trzymania pasożyta wpływa na patologię człowieka w miejscu przywiązania” – powiedział Armand Kuris, profesor parazytologii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, który nie brał udziału w badaniu. „To w dużej mierze niezbadany aspekt parazytologii medycznej i nie mogę się doczekać, dokąd prowadzą te badania”.
Poza zastosowaniami biomedycznymi, które były głównym tematem artykułu, autorzy przewidują również wykorzystanie tej technologii w zastosowaniach niemedycznych, począwszy od etykiet z odwracalnym klejem do monitorowania dzikiej przyrody, po platformy czujnikowe do materiałów tekstylnych.
Odniesienie: „Projektowanie i wytwarzanie inspirowanego pasożytami mechanizmu zakotwiczającego tkanki w skali milimetrowej” autorstwa Gabriela Maquignaza, Rachel Zoll, Michaela Karpelsona, Jamesa C. Weavera i Roberta J. Wooda, 3 grudnia 2024 r., Nexus PNAS.
DOI: 10.1093/pnasnexus/pgae495
Niniejszy materiał powstał na podstawie prac wspieranych przez stypendium badawcze National Science Foundation Graduate Research Fellowship w ramach grantu nr 2140743.
