W tym wielkim wyścigu nie chodzi wyłącznie o elastyczność czy podobieństwo wizualne. Najnowszy materiał opracowany na University of Texas at Austin może selektywnie przepuszczać określone cząsteczki, przewodzić jony i zmieniać swoje właściwości zależnie od wcześniejszych impulsów. Nie jest więc stricte żywą tkanką, ale odtwarza część mechanizmów, dzięki którym działają jelita, nerki czy układ nerwowy.
Miliardy wodnych kropli stworzyły sztuczną tkankę
Nowy materiał został nazwany JIBE, co stanowi akronim od słów “jammed interconnected bilayer emulsions” i jest tłumaczony na “zagęszczone, połączone emulsje dwuwarstwowe”. Składa się z miliardów mikroskopijnych kropli wody ciasno upakowanych w większą strukturę. Każda kropla jest oddzielona od sąsiednich cienką, dwuwarstwową błoną. Układ zaczyna więc przypominać organizację prawdziwej tkanki, w której poszczególne komórki tworzą wspólną strukturę i wymieniają między sobą substancje.
Czytaj też: Najmocniejsze materiały zwykle pękają. Ten złamał starą zasadę
Nie oznacza to, że badacze wydrukowali żywy narząd. Materiał nie ma komórek, DNA ani metabolizmu. Odtwarza jednak ważną cechę biologii – podział na mikroskopijne przedziały połączone błonami, przez które można kontrolować transport jonów oraz cząsteczek.
Podobne struktury powstawały już wcześniej, ale ich produkcja była powolna, a większe próbki szybko traciły stabilność. Zespół z Teksasu rozwiązał ten problem dzięki mieszaniu dwóch olejów o różnej rozpuszczalności oraz zagęszczaniu emulsji w wirówce. Efekt? W ciągu kilku minut można w ten sposób stworzyć około 100 ml materiału. Następnie da się go wyciskać przez dyszę drukarki 3D i formować zarówno w powietrzu, jak i pod wodą. Dla mnie właśnie możliwość szybkiego skalowania jest tu ważniejsza niż samo porównanie do żywej tkanki.
Materiał może wybierać, które jony przepuścić
W błonach oddzielających krople naukowcy mogą umieszczać określone białka i kanały molekularne. Dzięki temu ten sam podstawowy materiał można dostosować do różnych zastosowań. W jednym z eksperymentów JIBE przewodziło prąd jonowy w sposób przypominający tkankę nerwową. W innym zostało wyposażone w białko pozwalające odróżniać jony amonowe od pozostałych składników ścieków.
Materiał wykazał też właściwości memrystancyjne. Oznacza to, że jego opór elektryczny zależał od wcześniejszego przepływu prądu. Nie jest to pamięć podobna do ludzkiej, ale mechanizm może zostać wykorzystany przy projektowaniu sztucznych synaps i komputerów neuromorficznych. Podobny kierunek myślenia widać przy układach, które wykorzystują światło do naśladowania pamięci. Zamiast oddzielać czujnik, pamięć i procesor, naukowcy próbują tworzyć materiały wykonujące kilka takich funkcji jednocześnie.
Rusztowanie dla nowych tkanek i zastosowanie w robotyce
Pierwszym potencjalnym zastosowaniem JIBE jest medycyna regeneracyjna. Materiał można tworzyć z biokompatybilnych składników i drukować w określonym kształcie, dlatego w przyszłości mógłby służyć jako rusztowanie dla rozwijających się komórek. Takie rusztowanie nie jest jednak gotowym narządem. Ma zapewnić komórkom środowisko, w którym mogą się osiedlać, dzielić i organizować. Kanały w błonach mogłyby dodatkowo pomagać w transporcie jonów, substancji odżywczych lub leków.
Jest to akurat bardzo ważne, ponieważ większe drukowane tkanki mają problem z dostarczaniem tlenu i składników odżywczych do komórek znajdujących się wewnątrz struktury. Bez własnego systemu transportu środek takiego materiału może obumierać. Na razie naukowcy nie opracowali jednak gotowego implantu ani terapii. Przed wykorzystaniem JIBE w medycynie trzeba będzie sprawdzić jego długoterminową stabilność, bezpieczeństwo, możliwość sterylizacji i reakcję układu odpornościowego.
Czytaj też: Stuletnie przekonanie trafiło do kosza. Najtwardszy materiał świata skrywa sekret
Materiał może znaleźć zastosowanie również w miękkiej robotyce. Elastyczne maszyny są rozwijane z myślą o chirurgii, akcjach ratunkowych oraz pracy w miejscach, w których tradycyjny robot nie może się swobodnie poruszać. Oczywiście JIBE nie jest gotowym sztucznym mięśniem i samo nie zacznie się poruszać. Może jednak łączyć elastyczną konstrukcję z transportem jonów, reakcją na bodźce i przewodzeniem sygnałów. W połączeniu z elementami wykonawczymi materiał mógłby pełnić funkcję obudowy, czujnika i części układu sterującego. Podobny rozwój widać przy sztucznych mięśniach zmieniających swoją sztywność.
Odzyskiwanie surowców ze ścieków i prostota produkcji
Najbardziej praktycznym zastosowaniem może okazać się filtrowanie wody. W eksperymentach naukowcy dodali do materiału białko pozwalające selektywnie transportować jony amonowe. Takie rozwiązanie może służyć zarówno do usuwania zanieczyszczeń, jak i odzyskiwania wartościowych substancji. Część jonów obecnych w ściekach można ponownie wykorzystać w produkcji nawozów lub procesach przemysłowych. Zespół pracuje również nad przystosowaniem tej technologii do odzyskiwania litu i pierwiastków ziem rzadkich. Nie oznacza to jeszcze gotowej metody przemysłowej. Badanie potwierdza jednak, że właściwości materiału można zmieniać przez dobór odpowiednich białek w błonach.
Technologia powstała po ponad dekadzie badań nad sztucznymi tkankami złożonymi z wodnych kropli. Wcześniejsze metody były zbyt wolne i trudne do skalowania, ale ten nowy proces opiera się na podstawowym wyposażeniu laboratoryjnym – mieszaniu, emulsji i wirówce. Dzięki temu inne zespoły nie muszą budować skomplikowanej infrastruktury, aby rozpocząć własne eksperymenty. Twórcy opatentowali już technologię i część możliwych zastosowań. Nadal nie znamy jednak kosztu produkcji na większą skalę, trwałości materiału ani jego zachowania podczas wielomiesięcznej pracy.
Czytaj też: Termika wchodzi w erę logiki. Materiał zaczął kierować ciepłem
JIBE nie jest więc gotowym sztucznym narządem, robotem ani filtrem przemysłowym. Jest platformą, której właściwości można dostosowywać przez zmianę błon oraz umieszczonych w nich białek. Właśnie dlatego uważam ten materiał za szczególnie interesujący, a potencjalnie wręcz rewolucyjny. Nie wprawdzie jedynie wyglądać jak fragment żywego ciała, ale kopiuje część zasad, według których ciało transportuje substancje, przewodzi sygnały i reaguje na otoczenie. To może być w nim najważniejsze.
