1月18日消息，受骨骼生长的启发，瑞典林雪平大学和日本冈山大学的研究人员开发了一种可以在硬化前变形成各种形状的材料组合。这种材料最初是柔软的，但后来通过使用与骨骼相同材料的骨骼发育过程变硬。
黑色材料是一种电活性聚合物，当研究人员施加低电压时，其体积会发生变化，从而使这个简单的“微型机器人”弯曲。在材料的另一面，您可以看到研究人员附着生物分子的凝胶，这些生物分子使软凝胶材料可以像骨头一样硬化。图片来源：Olov Planthaber/LiU
当我们出生时，我们的头骨上有缝隙，被称为囟门的软结缔组织片覆盖。正是由于囟门，我们的头骨可以在出生时变形并顺利通过产道。出生后，囟门组织逐渐变为硬骨。现在，研究人员已经将类似于这种自然过程的材料组合在一起。
“我们希望将其用于材料需要在不同时间点具有不同特性的应用。首先，材料柔软且有弹性，然后在硬化时锁定到位。这种材料可用于例如，复杂的骨折。它也可以用于微型机器人——这些柔软的微型机器人可以通过一个细注射器注入体内，然后它们会展开并发育出自己的刚性骨骼，”该系副教授 Edwin Jager 说林雪平大学的物理、化学和生物学 (IFM)。
这个想法是在一次日本研究访问期间萌生的，当时材料科学家 Edwin Jager 遇到了对骨骼进行研究的 Hiroshi Kamioka 和 Emilio Hara。日本研究人员发现了一种可以在短时间内刺激骨骼生长的生物分子。是否有可能将这种生物分子与 Jager 的材料研究相结合，开发出具有可变刚度的新材料？
当施加电压时，材料（左）将慢慢向鸡骨（白色）弯曲。如果液体中含有骨骼发育所需的矿物质，这种材料将在几天内开始构建人造骨骼，将自身附着在鸡骨上。图片来源：Olov Planthaber/LiU
在随后的研究中，发表在Advanced Materials，研究人员构建了一种简单的“微型机器人”，它可以呈现不同的形状并改变刚度。研究人员从一种叫做藻酸盐的凝胶材料开始。在凝胶的一侧，生长了一种聚合物材料。这种材料具有电活性，当施加低电压时，它会改变其体积，从而使微型机器人沿特定方向弯曲。在凝胶的另一侧，研究人员附着了生物分子，使软凝胶材料变硬。这些生物分子是从一种对骨骼发育很重要的细胞的细胞膜中提取的。当材料浸入细胞培养基中时——一个类似于身体的环境，含有钙和磷——生物分子使凝胶矿化并像骨头一样硬化。
研究人员感兴趣的一种潜在应用是骨愈合。这个想法是，由电活性聚合物驱动的软材料将能够自行进入复杂骨折的空间并扩张。当材料硬化后，它可以为新骨骼的构建奠定基础。在他们的研究中，研究人员证明，这种材料可以将自己包裹在鸡骨头周围，随后发育的人造骨头会与鸡骨头一起生长。
通过在凝胶中制作图案，研究人员可以确定简单的微型机器人在施加电压时将如何弯曲。材料表面上的垂直线使机器人弯曲成半圆形，而对角线使其像开瓶器一样弯曲。
林雪平大学博士生曹丹峰组装了一块骨头，然后“微型机器人”将自己包裹起来并一起成长。图片来源：Olov Planthaber/LiU
“通过控制材料的转动方式，我们可以使微型机器人以不同的方式移动，并影响材料在断骨中展开的方式。我们可以将这些运动嵌入材料的结构中，从而无需复杂的程序来操纵这些机器人，”说埃德温·雅格。
为了更多地了解这种材料组合的生物相容性，研究人员现在正在进一步研究其特性如何与活细胞协同工作。
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