Заимствование у природы - давняя тема в науке. Форма и функция идут рука об руку в мире природы, и структуры, созданные растениями и животными, лишь изредка улучшаются людьми.
Приняв этот урок близко к сердцу, ученые из Висконсинского университета в Мэдисоне используют децеллюляризированную шелуху таких растений, как петрушка, ваниль и орхидеи, для формирования трехмерных каркасов, которые затем можно загрунтовать и засеять человеческими стволовыми клетками. оптимизировать их рост в лабораторной посуде и, в конечном счете, создать новые биомедицинские имплантаты.
В статье от 20 марта в журнале Advanced He althcare Materials группа под руководством Уильяма Мерфи, профессора биомедицинской инженерии и содиректора Центра стволовых клеток и регенеративной медицины UW-Madison, описывает использование различных растений для создания эффективной, недорогой и масштабируемой технологии создания крошечных структур, которые однажды можно будет использовать для восстановления мышц, органов и костей с помощью стволовых клеток.
«Природа предоставляет нам огромный резервуар структур в растениях», - объясняет Джанлука Фонтана, ведущий автор нового исследования и постдокторант UW-Madison. «Вы можете выбрать структуру, которую хотите».
Новая технология использует элегантные и эффективные структурные качества растений: прочность, жесткость, пористость, малую массу и, что немаловажно, площадь поверхности. Это может помочь преодолеть ограничения современных методов, таких как 3D-печать и литье под давлением, для создания исходных структур для биомедицинских приложений.
«Растения - это действительно особые материалы, так как они имеют очень высокое отношение площади поверхности к объему, а их пористая структура уникально хорошо приспособлена для транспортировки жидкости», - говорит Мерфи.
Команда UW-Madison сотрудничала с Ольбрихским ботаническим садом Мэдисона и куратором Джоном Виртом, чтобы определить виды растений, которые потенциально могут быть преобразованы в миниатюрные структуры, полезные для биомедицинских приложений. В дополнение к таким растениям, как петрушка и орхидея, Вирт и его коллеги из Ольбриха идентифицировали бамбук, слоновьи уши и васаби как растения, чьи структурные качества могут использоваться для создания каркасов со свойствами и формами, полезными в биоинженерии. Команда также собрала растения, такие как камыш, любящий заболоченные места, из дендрария UW.
«Большое разнообразие царства растений представляет интерес практически любого размера и формы», - отмечает Мерфи, который решил исследовать растительный мир после того, как посмотрел из окна своего офиса на природный заповедник Лейкшор в Мэдисоне.«Это действительно казалось очевидным. Растения необычайно хороши в выращивании новых тканей и органов, и существуют тысячи различных видов растений, легко доступных. Они представляют собой огромное количество новых материалов для применения в тканевой инженерии».
Новый подход к созданию каркасов для тканевой инженерии зависит от целлюлозы, основного компонента клеточных стенок зеленых растений. Команда из Висконсина обнаружила, что удаление всех других клеток, составляющих растение, и обработка оставшейся шелухи целлюлозы химическими веществами побуждает стволовые клетки человека, такие как фибробласты - обычные клетки соединительной ткани, полученные из стволовых клеток, - прикрепляться и расти. на миниатюрных конструкциях.
Стволовые клетки, засеянные в каркасы, согласно Фонтане, имеют тенденцию выстраиваться по образцу структуры каркаса. «Стволовые клетки чувствительны к топографии. Это влияет на то, как растут клетки и насколько хорошо они растут».
Эта способность выравнивать клетки в соответствии со структурой растительного каркаса, добавляет Мерфи, предполагает, что можно использовать материалы для управления структурой и выравниванием развивающихся тканей человека, что имеет решающее значение для нервных и мышечных тканей. которые требуют выравнивания и формирования паттернов для своей функции.
Другим важным преимуществом растительных лесов, отмечает Мерфи, является кажущаяся простота их изготовления и использования. «Они довольно податливы. Их можно легко разрезать, придать форму, свернуть или сложить в стопки, чтобы сформировать различные размеры и формы».
Они также возобновляемы, просты в массовом производстве и недороги.
Материалы еще предстоит протестировать на животных моделях, но в ближайшем будущем планируется провести такие исследования.
«Токсичность маловероятна, но существует вероятность иммунного ответа, если эти растительные каркасы имплантировать млекопитающему», - говорит Мерфи. «При нашем подходе значимые иммунные реакции менее вероятны, потому что растительные клетки удаляются из каркасов».