Статья первоначально опубликована на сайте 3D Printing Industry.

Группа учёных из Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC) использовала трёхмерную биопечать для создания мышечной ткани, предназначенной для применения в мягкой робототехнике.

Самуэль Санчес, соавтор исследования и профессор Catalan Institution for Research and Advanced Studies, отметил:

«Биологически вдохновлённая мягкая робототехника — это перспективное новое направление, которое может помочь преодолеть ограничения традиционных робототехнических систем, в частности в области гибкости, быстроты реакции и адаптивности.

Мы изучаем возможности трёхмерной биопечати для создания ещё более совершенных систем, поскольку эта технология обеспечивает высокую скорость изготовления, простоту проектирования, возможность настройки формы и материалов, а также масштабирования».

3D printing muscle tissue for soft robotics application. Image via Wiley.

Мягкая робототехника

Мягкие роботы, иногда называемые биороботами, — это робототехнические системы, имитирующие поведение живых организмов. Обычно они изготавливаются из гибких материалов с адаптивными свойствами и способны реагировать на внешние воздействия, например электрические сигналы.

В исследовании IBEC с помощью трёхмерной биопечати были изготовлены биологические исполнительные элементы на основе мышечной ткани. Они состояли из скелетной мышечной ткани с ориентированными миотрубками — волокнистыми структурами, образованными мышечными клетками. Цель эксперимента заключалась в создании клеточных структур, способных создавать механическое усилие и потенциально захватывать предметы или перемещаться по поверхности.

Тания Патиньо, соавтор исследования и научный сотрудник IBEC, рассказала:

«Мы установили, что созданные биологические исполнительные элементы функциональны и способны реагировать на внешнее воздействие, а создаваемое ими усилие можно регулировать в соответствии с различными требованиями».

Она также отметила:

«Теперь мы гораздо лучше понимаем основные механизмы адаптивности биологических исполнительных элементов на основе мышечной ткани и знаем, что трёхмерная биопечать является быстрым и экономически эффективным методом их изготовления».

Результаты исследования реакции биологических исполнительных элементов на внешнее воздействие. Изображение: Wiley.

Results of the stimulus-response of the bio-actuators. Image via Wiley.

Трёхмерная печать биологических исполнительных элементов

Для печати был разработан биосовместимый гидрогель, обеспечивающий среду, необходимую для выживания клеток. Биочернила представляли собой смесь гиалуроновой кислоты, желатина и фибриногена — белка крови, участвующего в образовании кровяного сгустка и остановке кровотечения. В этой смеси находились миобласты — клетки-предшественники, из которых развивается мышечная ткань.

Чтобы предотвратить деформацию конструкции из-за сокращения ткани, мышечную ткань печатали вокруг опор из полидиметилсилоксана (PDMS) — материала, относящегося к классу силиконов.

Как отмечается в исследовании, помимо функции опор эти элементы позволяли измерять усилие, которое биологический исполнительный элемент оказывал на них при электрической стимуляции. Это помогло исследователям лучше изучить механизмы его адаптивности.

Рафаэль Местре, аспирант и соавтор исследования, пояснил:

«Мы показали, что интеграция биологических систем в робототехнические устройства позволяет наделить их свойствами, характерными для природных систем, и значительно повысить их функциональные возможности.

Это может стать ключом к разработке мягких робототехнических устройств, способных захватывать предметы, перемещаться или выполнять другие простые действия».

Исследование, о котором идёт речь в статье, называется Force Modulation and Adaptability of 3D‐Bioprinted Biological Actuators Based on Skeletal Muscle Tissue. Оно опубликовано в журнале Advanced Materials Technologies.

Авторы исследования: Rafael Mestre, Tania Patiño, Xavier Barceló, Shivesh Anand, Ariadna Pérez-Jiménez и Samuel Sánchez.

3D bioprinted muscle with supports. Image via Wiley.

The research discussed in this article is titled, Force Modulation and Adaptability of 3D‐Bioprinted Biological Actuators Based on Skeletal Muscle Tissue. It was published in the Advanced Materials Technologies journal. It was jointly authored by Rafael Mestre, Tania Patiño, Xavier Barceló, Shivesh Anand, Ariadna Pérez‐Jiménez, and Samuel Sánchez.