Naučnici iskoristili 3D štampanje kako bi napravili prvo veštačko uvo

Naučnici su iskoristili tehnologiju 3D štampanja kako bi napravili prvo veštalko uvo, sposobno da prima radio talase.

Naučnici su iskoristili tehnologiju 3D štampanja kako bi napravili prvo veštalko uvo, sposobno da prima radio talase.

Primarni cilj istraživača je bio da se istraže efikasna i promenljiva sredstva kod spajanja elektronike i tkiva. Naučnici su koristili 3D štampanje ćelija i nanodelova, praćeno ćelijskim razvijanjem, kako bi razvili malu kolutastu antenu sa hrskavicom. I tako je nastalo veštačko uvo.

“Generalno, postoje mehaničke i toplotne prepreke kada spajate električne materijale sa biološkim”, izjavio je Majkl Mekalpin (Michael McAlpine), asistent za mehaničko i aero-kosmičko inženjerstvo na Prinston univerzitetu. “Prethodno, naučnici su predložili pojedine strategije da se sašiju elektronički delovi kako bi spajanje bilo manje čudno. To se obično dešava između 2D ploče elektroničkih delova i podloge od tkiva. Ipak, naš posao je zahtevao drugačiji pristup – da napravimo i razvijemo biologiju zajedno sa elektronikom sinergetski i u 3D preplitajućem formatu”.

Mekalpinov tim je napravio nekoliko podstreka, prethodnih godina istraživanja, spajanjem malih senzora i antena. Prošle godine, istraživanje vođeno Mekalpinom i Naven Vermom (Naveen Verma), asistentom za elektroinženjerstvo, uz pomoć Fio Omeneta (Fio Omenetto) sa Tufts univerziteta, rezultiralo je razvojem tetovaže napravljene od bioloških senzora i antene koji se mogu prikačiti na površinu zuba. Ovaj projekat je njihov prvi napor da naprave potpuno funkcionalan organ koji ne samo da replikuje ljudske sposobnosti, već ih unapređuje koristeći ugrađenu elektroniku.

Tetovaža napravljena od bioloških senzora i antena koja se stavlja na zub. Delo naučnika sa Tufts univerziteta.

Tetovaža napravljena od bioloških senzora i antena koja se stavlja na zub. Delo naučnika sa Tufts univerziteta.

“Dizajn i implementacija bioloških organa i uređaja koji unapređuju ljudske sposobnosti, poznati kao cybernetics, deo su nauke koja sve više privlači pažnju naučnicima”, istraživači su napisali u članku koji se pojavljuje u školskom časopisu Nano Letters. “Ovo područije ima potencijal da generiše kastumizirane replike delova za ljudsko telo, ili čak da napravi organe koji imaju sposobnost izvan ljudskih mogućnosti”. Standardna istraživanja tkiva uključuju “sejanje” ljudskih ćelija, kao što su ćelije koje formiraju ušnu hrskavicu, i posle izgradnju polimerskog materijala koji se zove hidrogel. Međutim, naučnici tvrde da ova tehnika ima problema kod zamenjivanja komplikovanih trodimenzionalnih bioloških struktura. “Rekonstrukcija uveta ostaje jedan od najproblematičnijih plastičnih operacija”, izjavili su. Kako bi se rešio problem, tim se okrenuo proizvodnji, tačnije 3D štampanju. Ovi štampači koriste kompjuterizovan dizajn kako bi zamislili objekte od nizova tankih kriški. Štampač onda skladišti naslage različitih materijala, počev od plastičnih ćelija, kako bi napravio finalni proizvod. Predlagački kažu da ovakva proizvodnja obećava pravu revoluciju domaće industrije, dopuštajući malim timovima ili pojedincima, da naprave proizvod za koji bi prethodne bile neophodne čitave fabrike.

Praveći organe uz pomoć 3D štampača je skori napredak. Nekoliko grupa izjavilo je da su koristili ovakvu tehnologiju za sličnu upotrebu u proteklih par meseci. Ali ovo je prvi put da su naučnici demonstrirali da je 3D tehnologija pogodna strategija za mešanje tkiva i elektronike. Tehnika je omogućila naučnicima da pomešaju električnu antenu sa tkivom unutar veoma kompleksno građenog ljudskog uveta. Oni su prvo upotrebili 3D štampač da kombinuju kalup od hidrogela i kožnih ćelija zajedno sa srebrnim nanodelovima antene. Kožne ćelije su se kasnije razvile u hrskavicu.

3D štampač koji se koristi za izradu gotovih proizvoda.

3D štampač koji se koristi za izradu gotovih proizvoda.

Manu Manor (Manu Mannoor), diplomirani student u Mekalpinoj laboratoriji, rekao je da ovakav vid proizvodnje otvara vrata novim načinima da mislimo o integraciji električnih delova i biloških tkiva, i otvara mogućnost da napravimo pravi biološki organ koji će funkcionisati. On je dodao da je moguće integrisati senzore različitih bioloških tkiva kako bi se, na primer, pratio napon u pacijentovom menikusu. Dejvid Garsias (David Garcias), profesor kod Johns Hopkins univerziteta, izjavio je da premošćavanje jaza između biologije i elektronike, predstavlja znatan izazov koji moramo savladati kako bismo omogućili stvaranje pametnih proteza i implanata. “Biološke strukture su mekane I gnjecav, napravljene većinom od vode i organskih molekula, dok konvencionalni električni delovi su teški i suvi, napravljeni većinom od metala, poluprovodnika i neorganskih delova. Razlike u fizičkom i hemijskom sastavu ove dve vrste materijala ne bi mogle biti izraženije”, dodao je.

Gotovo uvo napravljeno je od navojne antene unutar hrskavične strukture. Dve žice, vode se od baze uveta i navijaju oko spiralnog puža (kohlea) – dela uveta koji ima ulogu da prepozna zvuk, koji može da se spoji sa elektrodama. Iako Mekalpin upozorava da bi trebalo proširiti testiranje pre nego što se tehnologija iskoristi na pacijentu, Garsias kaže da ovaj proizvod u principu može odmah da se iskoristi za zamenu ili unapređenje ljudskog sluha. On je dodao da električni signali proizvedeni od strane uveta mogu da se spoje sa pacijentovim nervnim završetcima. Trenutni sistem prima radio talase, ali on je rekao da istraživački tim planira da doda i druge materijale, kao na primer električne senzore osetljive na pritisak, koji bi omogućili uvetu da registruje akustične zvukove.

Pored Mekalpina, Verma, Manora i Garcijasa, istraživački tim je obuhvatao i: Vinstona Sobahejo (Winston Sobayejo), profesora na mehaničkom i aero-kosmičkom inženjerstvu na Prinstonu, Karen Malatesta, studenta molekularne biologije na Prinstonu, Jong Lin Konga (Yong Lin Kong), diplomiranog studenta na mehaničkom i aero-kosmičkom inđenjerstvu na Prinstonu i Tinu James (Teena James), diplomirani student na hemijskom i biomolekularnom inženjerstvu na John Hopkins.

Tim je takođe imao i Ziven Jianga (Ziwen Jiang), srednjoškolca iz Pedi škole u Hajctaunu (Peddie School in Hightstown), koji je bio deo naprednog programa za mlade istraživače Mekalpine laboratorije.
Ziven Jiang je jedan od najspektakularnijih srednjoškolaca koga sam ikada video”, izjavio je Mekalpin. “Ovaj projekat ne bismo uspeli da završimo da nije bilo njega, naročito njegovog znanja u CAD dizajniranju biološkog uveta”.