Los ingenieros del MIT desarrollaron una forma de cultivar tejidos artificiales que se ven y actúan como sus contrapartes naturales.
Nos movemos gracias a la coordinación entre muchas fibras del músculo esquelético, todas contraídas y sincronizadas. Mientras que algunos músculos se alinean en una dirección, otros forman patrones intrincados, ayudando a que partes del cuerpo se muevan de múltiples maneras.
En los últimos años, los científicos e ingenieros han considerado a los músculos como actuadores potenciales para “robots biohybrid” — máquinas alimentadas por fibras musculares suaves y cultivadas artificialmente. Tales bio-bots podrían retorcerse y moverse a través de espacios donde las máquinas tradicionales no pueden. Sin embargo, en su mayor parte, los investigadores solo han podido fabricar músculo artificial que tira en una dirección, limitando cualquier rango de movimiento de las robots.
Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado un método para cultivar tejido muscular artificial eso se contrae y flexiona en múltiples direcciones coordinadas. Como demostración, desarrollaron una estructura artificial impulsada por músculos que tira de forma concéntrica y radial, al igual que la forma en que el iris en el ojo humano actúa para dilatar y constreñir la pupila.
Los investigadores fabricaron el iris artificial utilizando un nuevo enfoque “stamping” que desarrollaron. Primero, imprimieron en 3D un pequeño sello de mano estampado con ranuras microscópicas, cada una tan pequeña como una sola celda. Luego presionaron el sello en un hidrogel blando y sembraron los surcos resultantes con células musculares reales. Las células crecieron a lo largo de estos surcos dentro del hidrogel, formando fibras. Cuando los investigadores estimularon las fibras, el músculo se contrajo en múltiples direcciones, siguiendo la orientación fibers’.
“Con el diseño del iris, creemos que hemos demostrado el primer robot impulsado por músculo esquelético que genera fuerza en más de una dirección. Eso fue habilitado de manera única por este enfoque de sello,” dice Ritu Raman, el Profesor de Desarrollo de Carrera Eugene Bell de Ingeniería de Tejidos en el Departamento de Ingeniería Mecánica de MIT.
El equipo dice que el sello se puede imprimir con impresoras 3D de mesa y equipado con diferentes patrones de ranuras microscópicas. El sello se puede usar para desarrollar patrones complejos de músculo — y potencialmente otros tipos de tejidos biológicos, como neuronas y células cardíacas — que se ven y actúan como sus contrapartes naturales.
“Queremos hacer tejidos que repliquen la complejidad arquitectónica de los tejidos reales,” Raman dice. “Para hacer eso, realmente necesitas este tipo de precisión en tu fabricación.”
Ella y sus colegas publicó sus resultados de acceso abierto el viernes en la revista Biomateriales Ciencia. Sus coautores del MIT incluyen a la primera autora Tamara Rossy, Laura Schwendeman, Sonika Kohli, Maheera Bawa y Pavankumar Umashankar, junto con Roi Habba, Oren Tchaicheeyan y Ayelet Lesman de la Universidad de Tel Aviv en Israel.
Espacio de entrenamiento
El laboratorio Ramanans en el MIT tiene como objetivo diseñar materiales biológicos que imiten la detección, la actividad y la capacidad de respuesta de los tejidos reales en el cuerpo. En términos generales, su grupo busca aplicar estos materiales de bioingeniería en áreas desde la medicina hasta las máquinas. Por ejemplo, ella está buscando fabricar tejido artificial que pueda restaurar la función a las personas con lesión neuromuscular. También está explorando músculos artificiales para su uso en robótica suave, como nadadores impulsados por músculos que se mueven a través del agua con flexibilidad similar a la de los peces.
Raman ha desarrollado previamente lo que podría verse como plataformas de gimnasio y rutinas de entrenamiento para células musculares cultivadas en laboratorio. Ella y sus colegas diseñaron un hidrogel “mat” eso alienta a las células musculares a crecer y fusionarse en fibras sin pelarse. También derivó una forma de “ejercitar” las células al diseñarlas genéticamente para que se contraigan en respuesta a pulsos de luz. Y, su grupo ha ideado formas de dirigir las células musculares para que crezcan en líneas largas y paralelas, similares a los músculos estriados naturales. Sin embargo, ha sido un desafío, para su grupo y otros, diseñar tejido muscular artificial que se mueva en direcciones múltiples y predecibles.
“Una de las cosas geniales de los tejidos musculares naturales es que no solo apuntan en una dirección. Tomemos, por ejemplo, la musculatura circular en nuestro iris y alrededor de nuestra tráquea. E incluso dentro de nuestros brazos y piernas, las células musculares no apuntan directamente, sino en ángulo, señala Raman. “El músculo natural tiene múltiples orientaciones en el tejido, pero no hemos podido replicarlo en nuestros músculos diseñados.”
Plano muscular
Al pensar en formas de cultivar tejido muscular multidireccional, el equipo tuvo una idea sorprendentemente simple: sellos. Inspirado en parte por el clásico molde Jell-O, el equipo buscó diseñar un sello, con patrones microscópicos que podrían imprimirse en un hidrogel, similar a las esteras de entrenamiento muscular que el grupo ha desarrollado previamente. Los patrones de la estera impresa podrían servir como una hoja de ruta a lo largo de la cual las células musculares podrían seguir y crecer.
“La idea es simple. Pero, ¿cómo se hace un sello con características tan pequeñas como una sola celda? ¿Y cómo sellas algo que es súper suave? Este gel es mucho más suave que Jell-O, y es algo que es realmente difícil de lanzar, porque podría romperse muy fácilmente, dice Raman.
El equipo probó variaciones en el diseño del sello y finalmente aterrizó en un enfoque que funcionó sorprendentemente bien. Los investigadores fabricaron un pequeño sello de mano utilizando instalaciones de impresión de alta precisión en MIT.nano, lo que les permitió imprimir intrincados patrones de ranuras, cada una de ellas tan ancha como una sola célula muscular, en la parte inferior del sello. Antes de presionar el sello en una estera de hidrogel, recubrieron el fondo con una proteína que ayudó a que el sello se imprimiera uniformemente en el gel y se desprendiera sin pegarse ni rasgarse.
Como demostración, los investigadores imprimieron un sello con un patrón similar a la musculatura microscópica en el iris humano. El iris comprende un anillo de músculo que rodea la pupila. Este anillo de músculo se compone de un círculo interno de fibras musculares dispuestas concéntricamente, siguiendo un patrón circular, y un círculo externo de fibras que se extienden radialmente, como los rayos del sol. Juntos, esta arquitectura compleja actúa para constreñir o dilatar la pupila.
Una vez que Raman y sus colegas presionaron el patrón del iris en una estera de hidrogel, recubrieron la estera con células que diseñaron genéticamente para responder a la luz. En un día, las células cayeron en los surcos microscópicos y comenzaron a fusionarse en fibras, siguiendo los patrones similares al iris y eventualmente creciendo en un músculo completo, con una arquitectura y tamaño similares a un iris real.
Cuando el equipo estimuló el iris artificial con pulsos de luz, el músculo se contrajo en múltiples direcciones, similar al iris en el ojo humano. Raman señala que el iris artificial del equipo está fabricado con células del músculo esquelético, que están involucradas en el movimiento voluntario, mientras que el tejido muscular en el iris humano real está formado por células del músculo liso, que son un tipo de tejido muscular involuntario. Eligieron modelar las células del músculo esquelético en un patrón similar al iris para demostrar la capacidad de fabricar tejido muscular complejo y multidireccional.
“En este trabajo, queríamos demostrar que podemos usar este enfoque de sello para hacer un ‘robot’ que pueda hacer cosas que los robots anteriores con músculo pueden hacer,” Raman dice. “Elegimos trabajar con células del músculo esquelético. Pero no hay nada que te impida hacer esto con cualquier otro tipo de celda.”
Ella señala que si bien el equipo utilizó técnicas de impresión de precisión, el diseño del sello también se puede hacer utilizando impresoras 3D de mesa convencionales. En el futuro, ella y sus colegas planean aplicar el método de estampado a otros tipos de células, así como explorar diferentes arquitecturas musculares y formas de activar el músculo artificial y multidireccional para hacer un trabajo útil.
“En lugar de usar actuadores rígidos que son típicos en los robots submarinos, si podemos usar robots biológicos blandos, podemos navegar y ser mucho más eficientes energéticamente, a la vez que somos completamente biodegradables y sostenibles, dice Raman. “Eso es hacia lo que esperamos construir.”
Este trabajo fue apoyado, en parte, por los Estados Unidos. Oficina de Investigación Naval, Estados Unidos. Oficina de Investigación del Ejército, Estados Unidos. National Science Foundation y los Estados Unidos. Institutos Nacionales de Salud. MIT News. Ch. J. Traducido al español
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