Инженеры воплощают искусство в новых устройствах

Nov 15, 2023

Оригами, искусство складывания бумаги в трехмерные объекты, является чистым выражением эстетики и геометрии. Художники «обучают» лист бумаги, располагая, держа и складывая его по точным шаблонам, при этом складки становятся «воспоминаниями» в его волокнах. Создание его может быть увлекательным и даже радостным. Но у него есть много других потенциальных применений и преимуществ, и одно из них — создание искусственной ткани печени для скрининга медицинских методов лечения.

Кэрол Ливермор, доктор философии, доцент кафедры машиностроения Северо-Восточного университета. «Моя лаборатория работала над методами направленной сборки крошечных объектов, включая клетки, на плоские поверхности. У нас уже была отличная техника для размещения клеток разных размеров и типов там, где мы хотели, но только до тех пор, пока необходимая ткань была плоской».

Проводя мозговой штурм со своей командой, доктор Ливермор рассмотрела оригами как способ использования 2D-шаблонов в 3D-объектах. «Оригами создает всевозможные интересные фигуры, но у него есть и другие, менее известные особенности. Например, вы можете проектировать конструкции так, чтобы при их складывании был только один вероятный результат».

Их проект получил финансирование в размере 2 миллионов долларов от Национального научного фонда (NSF) и Управления научных исследований ВВС США. Это один из многих проектов, явно требующих использования оригами для важных инженерных целей и привлечения художников-оригами и математиков.

Вместе с физиком и мастером оригами Робертом Дж. Лангом, доктором философии, команда узнала о дизайне оригами с «одной степенью свободы». «По сути, если вы создадите складки в нужных местах, затем оставите одну руку неподвижной, а другой рукой схватите другую часть листа, направление сгиба станет полностью предсказуемым», — сказал доктор Ливермор. «Эта надежность очень важна для инженерных результатов».

Функцию печени трудно воспроизвести. В ткани печени кровь течет по крошечным путям, называемым синусоидами, так что молекулы могут достигать отдельных слоев гепатоцитов, фильтрующих вещества из крови.

«Эта закономерность повторяется снова и снова в блоке ткани. Если питательные вещества и химические вещества, которые необходимо перерабатывать печени, не могут достичь гепатоцита, он не будет процветать и не будет полезен, и необходимы все эти невероятно тонкие слои. Затем вам необходим поток через кровеносные сосуды и диффузия через эндотелиальные слои. Это позволяет веществам достигать гепатоцитов, защищая их от напряжения сдвига потока», — объяснил доктор Ливермор.

Оригами, автоматически представляющая собой многослойную структуру, было оптимальным решением. В искусственной ткани оригами клетки были посеяны на прочную нанопористую поликарбонатную мембрану, покрытую коллагеном, чтобы сохранить жизнеспособность клеток, а крошечные поры функционировали как эндотелиальные слои, выстилающие синусоиды. «Теперь мы могли размещать гепатоциты с одной стороны, а эндотелиальные клетки — с другой. У нас был поток среды для культивирования клеток, такой как искусственная кровь, с одной стороны нанопористой мембраны, а гепатоцитов и среды для культуры клеток — с другой, и диффузия через мембрану, доставляя питательные вещества к гепатоцитам».

Для направления потока использовалась двусторонняя лента Kapton® с вырезанными лазером отверстиями с точными интервалами. Затем двусторонние ленты и мембраны складывали крест-накрест под углом 90 градусов, снова и снова (для наглядности сложите две полоски бумаги вместе под прямым углом и согните). Отверстия в сложенной ленте создавали путь для потока. «Самое крутое то, что это дало нам возможность разумно воспроизводить то, что происходит в организме. Рисунок оригами был сложен вручную детерминированным способом, складки на нем были заранее заданы лазером; техническая имитация того, как художники-оригами выкладывают свои работы».

Доктор Ливермор и ее команда недавно завершили проект NSF, достигнув своей первой цели: создания устройств из искусственных тканей, которые функционируют и реагируют на лекарственную терапию так же, как человеческая ткань.

Как и оригами, киригами предполагает складывание, но также позволяет вырезать и склеивать. Катя Бертольди, доктор философии, главный исследователь группы Бертольди в Школе инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона Гарвардского университета, уже давно экспериментирует с этой формой, например, разрабатывая мягких роботов, которые двигаются как змеи, с чешуйками киригами для передвижение. «Киригами — это простая платформа, позволяющая делать надрезы на бумаге, но то, что с ее помощью можно сделать, просто потрясающе — столько интересных фигур, которые трансформируются и трансформируются».