Alexander Vitkovski (alev_biz) wrote,
Alexander Vitkovski
alev_biz

Categories:

Пропитанные гидрогелем спирали превратили в искусственные мышцы

Австралийские инженеры разработали искусственные мышечные волокна, принцип работы которых имитирует возможности молекул ДНК многократно скручиваться в спирали, значительно уменьшая свои размеры.

Пропитанные гидрогелем спирали превратили в искусственные мышцы
Образование супервитков

Мышцы состоят из закрученных пар полиэфирных нитей с применением гидрогеля, который при изменении величины pH окружающей среды способен набухать, что приводит к увеличению объема нитей и, при зафиксированных концах, к дальнейшему их скручиванию в петли и сокращению мышечной нити. Эксперименты показали, что новые искусственные мышечные волокна способны сокращаться на 90 процентов от исходной длины и превосходят мышцы млекопитающих более чем в 30 раз по величине производимой работы на единицу массы. Авторы надеются, что в будущем их разработка пригодится при создании микророботов и микроинструментов, например для выполнения малоинвазивных хирургических операций. Статья опубликована в журнале Science Robotics.



Стремление инженеров к миниатюризации роботов особенно актуально в области медицины, так как уменьшение размеров инструментов, используемых для выполнения медицинских процедур и хирургических операций может уменьшить нежелательное воздействие на организм пациента. Однако традиционно используемые типы актуаторов, например электромоторы, накладывают ограничение на минимальный размер микроинструментов, так как их трудно сделать достаточно маленькими без потери производительности. В качестве альтернативы инженеры разрабатывают актуаторы, имитирующие работу мышц животных, и которые могут даже в малых масштабах сохранять высокую эффективность. В последние годы стала набирать популярность технология изготовления искусственных мышц из синтетических нитей.

Инженеры из австралийского Университета Вуллонгонг под руководством Джеффри Спинкса (Geoffrey Spinks) создали прототип искусственных мышц, для которых также используются синтетические скрученные нити. В основу работы лег принцип скручивания, который наблюдается в молекулах ДНК, и который, как считают авторы разработки, позволит искусственным мышцам совершать большую работу на единицу массы, чем обычные скелетные мышцы млекопитающих.

Известно, что полимерные молекулы ДНК могут значительно изменять свои размеры. Молекулы длиной десятки сантиметров способны упаковываться в клеточных структурах микрометрового масштаба за счет явления сверхспирализации, в результате которого двойные спирали ДНК закручиваются в спиралевидные структуры более высокого порядка. При этом свободное вращение концов молекулы затруднено: либо они крепятся к другим структурам, либо соединяются, образуя кольцевую молекулу. Аналогичное явление сверхспирализации можно наблюдать и в поведении любых закрученных нитей при условии закрепленных концов.

Для создания искусственных мышц с возможностью сверхспирализации инженеры используют швейные нити из полиэстра, пропитывая их гидрогелем на основе полиакриловой кислоты, степень набухания которого зависит от уровня pH окружающей мышечное волокно среды. После этого нити скручиваются вместе с помощью электромотора с подсчетом числа оборотов и отжигаются в печи для закрепления. Более тонкие композитные нити, состоящие из смеси волокон полиакрилонитрила и полиакриловой кислоты, получают методом электроспининга.

Для того чтобы заставить суперспиральные искусственные мышцы сократиться, необходимо увеличить величину pH среды в которой они находятся. Для этого испытываемые образцы помещают в воду или в раствор гидроксида натрия. Чтобы вернуться в исходное состояние используют раствор соляной кислоты. При повышении уровня pH окружающей среды гидрогель набухает, увеличивая объем нитей, которые стремятся раскрутиться. Однако, так как концы спирали зафиксированы и не могут свободно вращаться, это приводит образованию на нитях супервитков и сжатию искусственной мышцы. Уменьшение же уровня водородного показателя pH окружающей среды приводит к уменьшению объема нити, раскручиванию суперспиралей и возвращению к исходному состоянию.



Инженерам удалось добиться сокращения искусственных мышечных волокон на величину до 90 процентов от их начальной длины. В процессе сокращения волокна способны совершить работу эквивалентную выделению одного джоуля энергии на грамм сухого волокна. Для сравнения мышцы млекопитающих способны сокращаться лишь примерно на 20 процентов от их первоначальной длины и производят работу около 0.03 джоулей на грамм.

Скорость сверхспирализации и сокращения нити при химическом методе активации оказалась довольно низкой и неравномерной. Сокращение до 66 процентов происходит за несколько минут, тогда как на полное сжатие может потребоваться больше 10 минут. Однако этот параметр зависит от толщины мышечных волокон и, по словам авторов, может быть улучшен заменой одной толстой нити на нескольких нитей с меньшим диаметром.

Для демонстрации возможностей применения своего изобретения инженеры создали два прототипа микрохирургических инструментов: ножницы и пинцет, корпуса которых изготовлены с помощью 3D печати. Авторы работы надеются, что в будущем им удастся расширить область применения искусственных мышц со сверхспиральным скручиванием. Для этого понадобится повысить скорость реакции мышц и заменить текущий химический способ активации волокон на более практичный и быстрый, например электротермический.

Инженеры часто заимствуют для своих разработок идеи из природы. Например, разработчики из Нидерландов создали прототип инструмента для малоинвазивной хирургии и биопсии, который имитирует работу яйцеклада ос-наездников.

Автор: Андрей Фокин





Ссылка на источник

Tags: ДНК, биотехнология, изобретения, роботы
Subscribe

Posts from This Journal “биотехнология” Tag

promo alev_biz september 5, 16:48 Leave a comment
Buy for 10 tokens
Центр помощи «Вера» в данный момент ведет три благотворительных сбора для тяжелобольных детей из Беларуси. Мы постоянно обращаемся к обычным людям, организациям, предприятиям, представителям бизнеса с просьбой поддержать тот или иной сбор, помочь ребенку в приобретении дорогостоящего…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment