Прорыв в испанской науке: разработана революционная технология создания «умных» живых материалов

Команда исследователей под руководством Института биоинженерии Каталонии (IBEC) совершила важный научный прорыв, разработав метод создания «умных» живых материалов. Ученые научились заранее проектировать сложную трехмерную форму ткани, управляя исключительно ориентацией её клеток. Это исследование впервые доказывает возможность программирования материи с помощью химических паттернов, нанесенных на плоскую поверхность.

В проекте приняли участие ведущие научные организации Испании: Политехнический университет Каталонии (UPC), Международный центр численных методов в инженерии (CIMNE) и Европейская молекулярно-биологическая лаборатория (EMBL) в Барселоне. Открытие открывает широкие горизонты в области тканевой инженерии, биогибридной робототехники и создания программируемых материалов.

Как создаются программируемые живые материалы?

Ключевым фактором в исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Science, является феномен, называемый «нематическим порядком». Когда клетки продолговатой формы выравниваются в одном направлении, они начинают вести себя подобно волокнам ткани. Это создает внутреннее напряжение, которое можно использовать для управления финальной формой материала.

Ученые применили систему химического микропаттернинга, буквально «рисуя» на плоских поверхностях белковые линии, вдоль которых растут клетки. Некоторые участки притягивают клетки, другие — отталкивают. В итоге создается точная карта клеточной ориентации, где ключевую роль играют «топологические дефекты» — зоны, напоминающие завитки на отпечатках пальцев, где концентрируются основные силы ткани.

«Мы можем заранее определить, где будут находиться эти дефекты и, следовательно, как распределятся силы внутри ткани», — поясняет один из авторов работы Пау Гильямат.

Момент превращения: когда материал обретает форму

Пока материал прикреплен к поверхности, внутреннее напряжение остается заблокированным, и ткань находится в состоянии покоя. Однако в момент отслоения механические ограничения исчезают. Накопленные силы перераспределяются, заставляя ткань мгновенно складываться и изгибаться, принимая ту геометрию, которая была заложена в неё на этапе проектирования паттерна.

Процесс сравним с эластичным листом, натянутым и закрепленным по краям: пока он зафиксирован, деформации нет, но как только его отпускают, он принимает форму, продиктованную внутренним натяжением.

Математическое моделирование и предсказание результата

Для того чтобы точно знать результат до момента отслоения ткани, профессор Марино Арройо из UPC разработал сложные математические модели. Эти симуляции связывают узор расположения клеток с финальной трехмерной формой.

Такой подход превращает технологию в полноценную платформу для проектирования. Система способна работать в обоих направлениях: вычислять форму по заданному паттерну или, наоборот, рассчитывать необходимый клеточный узор для получения конкретной желаемой формы.

Перспективы и применение

Несмотря на то что исследование является фундаментальным, области его применения вполне конкретны:

• Тканевая инженерия: создание сложных 3D-структур без использования искусственных каркасов, максимально приближенное к естественным процессам развития эмбриона.
• Биогибридная робототехника: программируемые живые материалы могут выступать в роли биологических приводов или «мышц», способных сокращаться и менять форму.
• Медицина: изучение процессов формирования органов и того, как опухоли влияют на механику окружающих тканей.

Данная работа выводит Испанию в авангард мировой биоинженерии. В настоящий момент ученые уже работают над созданием следующего поколения систем — живых тканей, способных не только принимать заданную форму, но и динамически реагировать на изменения внешней среды.