Le fibre muscolari artificiali potrebbero fungere da impalcatura cellulare

In due nuovi studi, i ricercatori della North Carolina State University hanno progettato e testato una serie di fibre tessili in grado di cambiare forma e generare forza come un muscolo. Nel primo studio, i ricercatori si sono concentrati sull'influenza dei materiali sulla forza e sulla lunghezza di contrazione dei muscoli artificiali. I risultati potrebbero aiutare i ricercatori ad adattare le fibre per diverse applicazioni.

Nel secondo studio di prova, i ricercatori hanno testato le loro fibre come impalcature per le cellule vive. I loro risultati suggeriscono che le fibre – note come “robot in fibra” – potrebbero essere potenzialmente utilizzate per sviluppare modelli 3D di sistemi viventi e in movimento nel corpo umano.

"Abbiamo scoperto che il nostro robot in fibra è un'impalcatura molto adatta per le cellule e possiamo alterare la frequenza e il rapporto di contrazione per creare un ambiente più adatto per le cellule", ha affermato Muh Amdadul Hoque, studente laureato in ingegneria tessile, chimica e scienza presso Stato NC. “Si trattava di studi di prova; in definitiva, il nostro obiettivo è vedere se possiamo studiare queste fibre come impalcatura per le cellule staminali o usarle per sviluppare organi artificiali in studi futuri”.

I ricercatori hanno realizzato le fibre che cambiano forma incapsulando un tubo simile a un palloncino, fatto di un materiale simile alla gomma, in una guaina tessile intrecciata. Gonfiare il palloncino interno con una pompa ad aria fa espandere la guaina intrecciata, provocandone l'accorciamento.

I ricercatori hanno misurato la forza e la velocità di contrazione delle fibre realizzate con materiali diversi per comprendere la relazione tra materiale e prestazioni. Hanno scoperto che filati più forti e di diametro maggiore generavano una forza di contrazione più forte. Inoltre, hanno scoperto che il materiale utilizzato per realizzare il palloncino influenzava l’entità della contrazione e la forza generata.

"Abbiamo scoperto che potevamo adattare le proprietà del materiale alle prestazioni richieste del dispositivo", ha affermato Xiaomeng Fang, assistente professore di ingegneria tessile, chimica e scienza presso la NC State. "Abbiamo anche scoperto che possiamo rendere questo dispositivo abbastanza piccolo da poterlo potenzialmente utilizzare nella formazione di tessuti e in altre applicazioni tessili, compresi dispositivi indossabili e dispositivi di assistenza".

In uno studio di follow-up, i ricercatori hanno valutato se potevano utilizzare le fibre che cambiano forma come impalcatura per i fibroblasti, un tipo di cellula presente nei tessuti connettivi che aiuta a sostenere altri tessuti o organi.

"L'idea con lo stretching è quella di imitare la natura dinamica di come si muove il tuo corpo", ha detto Jessica Gluck, assistente professore di ingegneria tessile, chimica e scienza presso NC State e coautrice dello studio.

Hanno studiato la risposta delle cellule al movimento delle fibre che cambiano forma e ai diversi materiali utilizzati nella costruzione delle fibre. Hanno scoperto che le cellule erano in grado di coprire e persino penetrare nella guaina intrecciata del robot in fibra. Tuttavia, hanno notato una diminuzione dell’attività metabolica delle cellule quando la contrazione del robot in fibra si estendeva oltre un certo livello, rispetto a un dispositivo realizzato con lo stesso materiale che avevano mantenuto fermo.

I ricercatori sono interessati a basarsi sui risultati per vedere se è possibile utilizzare le fibre come modello biologico 3D e per indagare se il movimento potrebbe influire sulla differenziazione cellulare. Hanno affermato che il loro modello rappresenterebbe un progresso rispetto ad altri modelli sperimentali esistenti che sono stati sviluppati per mostrare la risposta cellulare allo stiramento e ad altri movimenti, poiché possono muoversi solo in due dimensioni.

"In genere, se si desidera aggiungere allungamento o tensione alle cellule, le si mette su un piatto di plastica e le si allunga in una o due direzioni", ha detto Gluck. "In questo studio, siamo stati in grado di dimostrare che in questa coltura dinamica 3D, le cellule possono sopravvivere fino a 72 ore.

"Ciò è particolarmente utile per le cellule staminali", ha aggiunto Gluck. "Ciò che potremmo fare in futuro è osservare cosa potrebbe accadere a livello cellulare con lo stress meccanico sulle cellule. Potresti osservare le cellule muscolari e vedere come si stanno sviluppando, o vedere come l'azione meccanica aiuterebbe a differenziare le cellule ."