Umělý sval se ohýbá v mnoha směrech, otevírá cestu k měkkým, pohyblivým robotům

Pohyb našeho těla je výsledkem koordinované práce mnoha svalových vláken, která se synchronizovaně stahují a uvolňují. Zatímco některé svaly jsou uspořádány v jednom směru, jiné tvoří složité vzory, které umožňují pohyb v mnoha směrech.

V posledních letech se vědci a inženýři zaměřují na svaly jako potenciální pohon pro „biohybridní“ roboty – stroje poháněné měkkými, uměle vypěstovanými svalovými vlákny. Tito bio-roboti by se mohli proplétat prostory, kam se klasické stroje nedostanou. Většinou se však podařilo vyrobit pouze umělé svaly, které se stahují pouze v jednom směru, což omezuje rozsah pohybu robota.

Nyní inženýři z MIT vyvinuli metodu pro pěstování umělé svalové tkáně, která se stahuje a ohýbá v mnoha koordinovaných směrech. Jako ukázku vypěstovali umělou, svalově poháněnou strukturu, která se stahuje jak soustředně, tak radiálně, podobně jako duhovka v lidském oku, která reguluje velikost zornice.

Umělou duhovku vytvořili výzkumníci pomocí nové metody „ražení“. Nejprve pomocí 3D tisku vytvořili malou ruční razítko s mikroskopickými drážkami, z nichž každá je malá jako jedna buňka. Poté razítko vtlačili do měkkého hydrogelu a vyplnili drážky skutečnými svalovými buňkami. Buňky rostly podél těchto drážek v hydrogelu a vytvářely vlákna. Když výzkumníci vlákna stimulovali, sval se smrštil v několika směrech, podle orientace vláken.

„S designem duhovky jsme, věříme, demonstrovali prvního robota poháněného kosterním svalstvem, který generuje sílu ve více než jednom směru. To bylo jedinečně umožněno tímto přístupem s razidlemi,“ říká Ritu Raman, profesorka tkáňového inženýrství na MIT.

Tým uvádí, že razítko lze vytisknout pomocí stolních 3D tiskáren a osadit různými vzory mikroskopických drážek. Razítko lze použít k pěstování složitých vzorů svalů – a potenciálně i jiných typů biologických tkání, jako jsou neurony a buňky srdečního svalu – které vypadají a chovají se jako jejich přirozené protějšky.

„Chceme vytvářet tkáně, které replikují architektonickou složitost skutečných tkání,“ říká Raman. „K tomu skutečně potřebujete takovou přesnost ve výrobě.“

Ona a její kolegové publikovali své výsledky s otevřeným přístupem v pátek v časopise Biomaterials Science. Mezi jejími spoluautory z MIT jsou první autorka Tamara Rossy, Laura Schwendeman, Sonika Kohli, Maheera Bawa a Pavankumar Umashankar, spolu s Roi Habbou, Oren Tchaicheeyanem a Ayelet Lesmanovou z Tel Avivské univerzity v Izraeli.

Tréninkový prostor

Ramanova laboratoř na MIT se zaměřuje na vývoj biologických materiálů, které napodobují smyslové vnímání, aktivitu a odezvu skutečných tkání v těle. Obecně její skupina usiluje o aplikaci těchto bioinženýrských materiálů v oblastech od medicíny po strojírenství. Například se snaží vyrobit umělou tkáň, která by mohla obnovit funkci lidem s neuromuskulárním poškozením. Také zkoumá umělé svaly pro použití v měkké robotice, například svalově poháněné plavce, kteří se pohybují ve vodě s rybí obratností.

Raman dříve vyvinula to, co by se dalo považovat za cvičební plošiny a tréninkové režimy pro pěstované svalové buňky v laboratoři. Ona a její kolegové navrhli hydrogelovou „podložku“, která podporuje růst a fúzi svalových buněk do vláken, aniž by se odlupovaly. Také vyvinula způsob „cvičení“ buněk genetickou modifikací, aby se stahovaly v reakci na světelné impulsy. A její skupina přišla se způsoby, jak řídit růst svalových buněk v dlouhých, paralelních liniích, podobně jako u přirozených, příčně pruhovaných svalů. Pro její skupinu i pro ostatní však bylo obtížné navrhnout umělou svalovou tkáň, která se pohybuje v několika předvídatelných směrech.

„Jedna z úžasných věcí na přirozených svalových tkáních je, že se neorientují jen jedním směrem. Vezměte například kruhové svalstvo v naší duhovce a kolem naší průdušnice. A dokonce i v našich pažích a nohách svalové buňky nesměřují rovně, ale pod úhlem,“ poznamenává Raman. „Přírodní sval má v tkáni mnoho orientací, ale v našich inženýrských svalech se nám to nedalo replikovat.“

Svalový plán

Při hledání způsobů, jak pěstovat multidirekční svalovou tkáň, tým narazil na překvapivě jednoduchý nápad: razítka. Inspirováni klasickou želatinovou formou se tým rozhodl navrhnout razítko s mikroskopickými vzory, které by se daly otisknout do hydrogelu, podobně jako tréninkové podložky, které skupina vyvinula dříve. Vzorce otištěné podložky by pak mohly sloužit jako mapa, podél které by se svalové buňky mohly pohybovat a růst.

„Nápad je jednoduchý. Ale jak vyrobíte razítko s detaily malými jako jedna buňka? A jak otisknout něco, co je super měkké? Tento gel je mnohem měkčí než želatina a je velmi obtížné ho odlévat, protože se může snadno potrhat,“ říká Raman.

Tým vyzkoušel různé varianty designu razítka a nakonec narazil na přístup, který překvapivě dobře fungoval. Výzkumníci vyrobili malé ruční razítko pomocí vysoce přesných tiskových zařízení v MIT.nano, což jim umožnilo vytisknout složité vzory drážek, z nichž každá je široká přibližně jako jedna svalová buňka, na spodní stranu razítka. Před vtlačením razítka do hydrogelové podložky pokryli spodní stranu proteinem, který pomohl razítku rovnoměrně se otisknout do gelu a odloučit se bez lepivosti nebo trhání.

Jako ukázku výzkumníci vytiskli razítko s vzorem podobným mikroskopickému svalstvu v lidské duhovce. Duhovka se skládá z kruhu svalů obklopujících zornici. Tento kruh svalů se skládá z vnitřního kruhu svalových vláken uspořádaných soustředně, podle kruhového vzoru, a vnějšího kruhu vláken, které se rozprostírají radiálně, jako paprsky slunce. Společně tato komplexní architektura působí na zúžení nebo rozšíření zornice.

Jakmile Raman a její kolegové vtlačili vzor duhovky do hydrogelové podložky, pokryli podložku buňkami, které geneticky upravili tak, aby reagovaly na světlo. Do dne se buňky dostaly do mikroskopických drážek a začaly se slévat do vláken, podle vzorů podobných duhovce, a nakonec vyrostly v celý sval s architekturou a velikostí podobnou skutečné duhovce.

Když tým stimuloval umělou duhovku světelnými impulsy, sval se smrštil v několika směrech, podobně jako duhovka v lidském oku. Raman poznamenává, že umělá duhovka týmu je vyrobena z buněk kosterního svalu, které se podílejí na dobrovolném pohybu, zatímco svalová tkáň v skutečné lidské duhovce se skládá z buněk hladkého svalu, což je typ nedobrovolné svalové tkáně. Vybrali si, že budou vytvářet vzory buněk kosterního svalu v duhovkovém vzoru, aby prokázali schopnost vyrábět komplexní, multidirekční svalovou tkáň.

„V této práci jsme chtěli ukázat, že můžeme použít tento přístup s razítkem k vytvoření ‚robota‘, který dokáže dělat věci, které předchozí svalově poháněné roboty nedokázaly,“ říká Raman. „Vybrali jsme si práci s buňkami kosterního svalu. Ale nic vám nebrání v tom, abyste to dělali s jakýmkoli jiným typem buňky.“

Poznamenává, že zatímco tým použil techniky přesného tisku, design razítka lze také vytvořit pomocí běžných stolních 3D tiskáren. V budoucnu plánuje ona a její kolegové aplikovat metodu ražení na jiné typy buněk, a také zkoumat různé svalové architektury a způsoby aktivace umělého, multidirekčního svalu k provádění užitečné práce.

„Místo používání tuhých pohonů, které jsou typické u podvodních robotů, pokud můžeme používat měkké biologické roboty, můžeme navigovat a být mnohem energeticky efektivnější, a zároveň být zcela biologicky odbouratelní a udržitelní,“ říká Raman. „Do toho směřujeme.“

Tato práce byla částečně podpořena americkým Úřadem pro námořní výzkum, americkou armádní výzkumnou kanceláří, americkou národní vědeckou nadací a americkými národními instituty zdraví.