Pletená mikrostruktura urychluje hojení

Léčba těžkých nebo chronických poranění měkkých tkání, jako je kůže a svaly, představuje v zdravotnictví velkou výzvu. Současné metody léčby mohou být nákladné a neúčinné, a vzhledem k rostoucímu počtu chronických ran způsobených onemocněními, jako je diabetes a cévní onemocnění, a stárnoucí populaci se očekává jejich další nárůst.

Jednou z nadějných metod léčby je implantace biokompatibilních materiálů naočkovaných živými buňkami (tzv. mikrostruktura) do rány. Materiály poskytují lešení pro kmenové buňky nebo jiné prekurzorové buňky, které dorůstají do poškozené tkáně a napomáhají k její opravě. Stávající techniky pro konstrukci těchto lešticích materiálů se však potýkají s opakujícím se problémem. Lidská tkáň se pohybuje a ohýbá jedinečným způsobem, který tradiční měkké materiály jen těžko napodobují, a pokud se lešení natahují, mohou se natahovat i vložené buňky, což často vede k jejich odumírání. Odumřelé buňky brání procesu hojení a mohou také vyvolat nechtěnou imunitní odpověď v těle.

„Lidské tělo má hierarchickou strukturu, která se spíše odvíjí nebo rozkládá, než se natahuje,“ říká Steve Gillmer, výzkumník v oblasti strojírenství v MIT Lincoln Laboratory. „Proto když si natáhnete kůži nebo svaly, vaše buňky neumírají. Ve skutečnosti se vaše tkáně trochu rozloží, než se natáhnou.“

Gillmer je součástí multidisciplinárního výzkumného týmu, který hledá řešení tohoto problému s protahováním. Spolupracuje s profesorkou Ming Guo z katedry strojírenství MIT a laboratoří Defense Fabric Discovery Center (DFDC), aby vytvořili nové druhy tkanin, které se mohou rozkládat a pohybovat stejně jako lidská tkáň.

Nápad na spolupráci vznikl, když Gillmer a Guo vyučovali kurz na MIT. Guo zkoumala, jak pěstovat kmenové buňky na nových typech materiálů, které by mohly napodobovat rozkládání přirozené tkáně. Zvolila elektrospun nanofibry, které fungovaly dobře, ale bylo obtížné je vyrábět na velkých délkách, což jí bránilo v integraci vláken do větších pletených struktur pro rozsáhlejší opravu tkání.

„Steve zmínil, že Lincoln Laboratory má přístup k průmyslovým pletacím strojům,“ říká Guo. Tyto stroje jí umožnily zaměřit se na navrhování větších pletenin, nikoliv jednotlivých přízí. „Okamžitě jsme začali testovat nové nápady s vnitřní podporou laboratoře.“

Gillmer a Guo spolupracovali s DFDC, aby zjistili, které vzory pletení se mohou pohybovat podobně jako různé typy měkkých tkání. Začali se třemi základními konstrukcemi pletení zvanými interlock, žebrovaný a hladký úplet.

„U hladkého úpletu si představte své tričko. Když si natáhnete tričko, smyčky příze se natahují,“ říká Emily Holtzman, textilní specialistka z DFDC. „Čím delší je délka smyčky, tím větší prodloužení může tkanina zvládnout. U žebrovaného úpletu si představte manžetu na svetru. Tato konstrukce tkaniny má globální roztažnost, která umožňuje tkanině rozložit se jako harmonika.“

Interlock je podobný žebrovanému úpletu, ale je pleten hustším vzorem a obsahuje dvakrát více příze na palec tkaniny. Díky většímu množství příze je větší plocha, na kterou lze vložit buňky. „Pletené tkaniny lze také navrhnout tak, aby měly specifickou pórovitost nebo hydraulickou propustnost, kterou vytvářejí smyčky tkaniny a velikosti příze,“ říká Erin Doran, další textilní specialistka v týmu. „Tyto póry mohou také pomoci v procesu hojení.“

Tým zatím provedl řadu testů, při kterých vkládal myší embryonální fibroblasty a mezenchymální kmenové buňky do různých vzorů pletení a sledoval, jak se chovají, když se vzory natahují. Každý vzor měl variace, které ovlivnily, jak moc se tkanina může rozložit, a také to, jak ztuhla po tom, co se začala natahovat. Všechny ukázaly vysokou míru přežití buněk a v roce 2024 tým za své pletené vzory získal cenu R&D 100.

Gillmer vysvětluje, že ačkoliv projekt začal s myšlenkou léčby poranění kůže a svalů, jejich tkaniny mají potenciál napodobovat mnoho různých typů lidských měkkých tkání, jako je chrupavka nebo tuk. Tým nedávno podal prozatímní patent, který popisuje, jak vytvářet tyto vzory a určuje vhodné materiály, které by se měly použít k výrobě příze. Tyto informace lze použít jako nástrojovou sadu k úpravě různých pletených struktur tak, aby odpovídaly mechanickým vlastnostem poškozené tkáně, na kterou se aplikují.

„Tento projekt byl pro mě rozhodně zkušeností,“ říká Gillmer. „Každá větev tohoto týmu má jedinečné odborné znalosti a myslím si, že projekt by byl bez nich všech nemožný. Naše společná spolupráce nám umožňuje rozšířit rozsah práce a řešit tyto větší a komplexnější problémy.“