Takeout noodles inspire UChicago scientists to invent remarkable synthetic tissue

有一天吃外卖的时候,芝加哥大学的科学家田博之和尹芳开始思考面条——特别是它们的弹性。西安是田先生的家乡,这里的特色之一就是用手将小麦拉面拉长,直到变得有嚼劲、有弹性。这两位材料科学家想知道,为什么它们没有变薄变弱呢?

他们开始尝试,从餐厅点了一磅又一磅的面条。“他们非常怀疑,”方说。“我认为他们认为我们想窃取他们的秘密,开一家与他们竞争的餐厅。”

但是他们正在准备的是一份合成组织的配方——它能比现有技术更接近地模拟生物皮肤和组织。

芝加哥大学博士后研究员、1月29日发表在《Matter》杂志上的一篇新论文的主要作者方说:“原来,普通淀粉颗粒可能是一种复合材料的缺失成分,这种复合材料模仿了组织的许多特性。”“我们认为,这可能从根本上改变我们制造类组织材料的方式。”

这一突破使得人造组织可以向多个方向伸展,但通过重组其内部结构来治愈和保护自己——这就是人类皮肤保护自己的方式。这一发现有一天可能会应用于软机器人、医疗植入物、可持续食品包装和生物过滤等领域。


就像自然界的许多发明一样,皮肤和组织是人类难以模仿的非凡工程壮举。田是这一领域的主要研究者,他试图通过建立生物组织和人造系统之间的接口来解决这个问题。

目前大多数人造组织只能满足一两个生物组织的特征:可塑性而非强度,或强度而非自愈性。

科学家们在面条上做了实验,发现面条的内部结构是由面筋网构成的,面筋网中布满了淀粉颗粒。“它实际上很像生物组织,”方说,“因为组织由支持单个细胞的细胞外基质组成。”

合成组织通常由凝胶网构成,它模仿细胞外基质的结构,但不包含细胞的类似物。但科学家们想知道:如果细胞是组织力学的一个重要组成部分呢?


田和方的想法是,将淀粉颗粒嵌入凝胶基质中,认为这会改变材料移动的方式。

它做到了。这种“组织”不仅强壮灵活,而且在拉伸后会发生变化——就像你训练肌肉时所发生的一样。“这种‘记忆效应’尤其难以综合复制,”化学系副教授田说。

关键的区别在于淀粉颗粒的存在。当材料受到压力时,它们可以在适当的位置轻微移动,它们不断移动的能力可以改变内部结构——允许“组织”在可能断裂时变形。

它们的氢键在被破坏后可以重新形成,也允许材料自行愈合。“只要他们还在身体接触,这些联系最终会重新形成,”尹说。

这个概念为许多应用程序提供了可能性。方特别感兴趣的是将这种材料用于食品包装。橘子或香蕉的果皮是由类似的基质构成的,当它们在卡车上弹跳时,基质会吸收冲击力,但其他食物则不会,而且这些成分是生物可降解的。

医疗植入物是另一个领域。大多数需要硬的部件,如关节置换,但这些往往会引发人体的炎症。田解释说,主要原因是硬钛或钢与身体软组织之间存在机械不匹配;合成组织可以作为缓解症状的媒介。田说:“我们也迫切需要一种可以像人类肾脏那样选择性过滤的合成器官,这可能为这种生物过滤提供了途径。”

田和方还可以想象这个概念在软机器人领域的应用。软机器人是一个新兴的领域,它可以让机器人拥有硬材料所没有的能力,比如挤进小空间或小心地抓住物体。

“有这么多的可能性,”方说。“我们真的很期待更详细的探索。”

“这确实是仿生学的一个新角度,”田说。“通常在这个领域,我们是在模仿自然进化。但你也可以模仿人类的做法——在这种情况下,是中国一千多年来制作面条的历史。”

芝加哥大学教授海因里希·耶格尔和安德烈·托马考夫也是这项研究的合著者。芝加哥大学的其他研究人员包括研究生Endao Han(现在在普林斯顿大学),yuyuanwen Jiang(现在在斯坦福大学),Lingyuan孟,Leah K. Roth, Shi Jiuyun, Jiangbo Wun;博士后研究人员:张新兴(现大连理工大学)、林一良、高向、岳继平;芝加哥大学医学中心的kchien – min Kao和Chen Chen;以及普利兹克分子工程学院的工程师菲利普·格里芬。

国家实验室先进光子源金望、肖显贵、周华、左小兵、张庆、楚妙奇、张庆腾、高雅、马志远、张江等也参与了论文的撰写。

使用的设备包括西北大学的NUANCE中心,芝加哥大学的MRSEC,低温集群,先进的光子源和国家同步加速器光源。

引用:“动态和可编程的细胞尺度颗粒使组织样材料。“方等人,事,简。30日,2020. doi.org/10.1016/j.matt.2020.01.008

资助:美国海军研究办公室,国家科学基金会。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/takeout-noodles-inspire-uchicago-scientists-invent-remarkable-synthetic-tissue

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