Os músculos artificiais flexionam em várias direções, oferecendo um caminho para robôs suaves e magros

Agradecemos à coordenação entre muitas fibras musculares esqueléticas, tudo se contorcendo e puxando em sincronia. Enquanto alguns músculos se alinham em uma direção, outros formam padrões complexos, ajudando partes do corpo a se mover de várias maneiras.

Nos últimos anos, cientistas e engenheiros procuraram os músculos como potenciais atuadores de robôs “bio -híbridos” – macacas alimentadas por fibras musculares macias e artificialmente cultivadas. Tais bio-bots podem se contorcer e mexer através dos espaços onde as máquinas tradicionais não podem. Na maioria das vezes, no entanto, os pesquisadores só conseguiram fabricar músculos artificiais que puxam em uma direção, limitando a amplitude de movimento de qualquer robô.

Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram um método para cultivar tecido muscular artificial que se contorce e flexiona em várias direções coordenadas. Como demonstração, eles cresceram uma estrutura artificial e movida a músculo que puxa de forma concentricamente e radial, como a íris no olho humano age para dilatar e restringir a pupila.

Os pesquisadores fabricaram a íris artificial usando uma nova abordagem de “estampagem” que desenvolveram. Primeiro, eles impressam em 3D um pequeno carimbo de mão padronizado com ranhuras microscópicas, cada uma tão pequena quanto uma única célula. Em seguida, eles pressionaram o carimbo em um hidrogel macio e semearam as ranhuras resultantes com células musculares reais. As células cresceram ao longo dessas ranhuras dentro do hidrogel, formando fibras. Quando os pesquisadores estimularam as fibras, o músculo contraiu em várias direções, seguindo a orientação das fibras.

“Com o design da íris, acreditamos que demonstramos o primeiro robô esquelético a muscular que gera força em mais de uma direção. Isso foi permitido exclusivamente por essa abordagem de selo”, diz Ritu Raman, professor de desenvolvimento de engenharia de tecidos de Eugene Bell no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT.

A equipe diz que o carimbo pode ser impresso usando impressoras 3D de mesa e equipado com diferentes padrões de ranhuras microscópicas. O carimbo pode ser usado para cultivar padrões complexos de músculo – e potencialmente outros tipos de tecidos biológicos, como neurônios e células cardíacas – que parecem e agem como suas contrapartes naturais.

“Queremos fazer tecidos que replicem a complexidade arquitetônica dos tecidos reais”, diz Raman. “Para fazer isso, você realmente precisa desse tipo de precisão em sua fabricação.”

Ela e seus colegas publicaram seus resultados de acesso aberto na sexta-feira (14 de março) no Journal Ciência dos Biomateriais. Seus co-autores do MIT incluem a primeira autora Tamara Rossy, Laura Schwendeman, Sonika Kohli, Maheera Bawa e Pavankumar Umashankar, junto com Roi Habba, Oren Tchaicheeyan e Ayelet Lesman, da Universidade Tel Aviv, em Israel.

Espaço de treinamento

O laboratório de Raman no MIT visa projetar materiais biológicos que imitam a detecção, a atividade e a capacidade de resposta dos tecidos reais no corpo. Em termos gerais, seu grupo procura aplicar esses materiais de bioengenharia em áreas de medicina a máquinas. Por exemplo, ela está procurando fabricar tecidos artificiais que possam restaurar a função de pessoas com lesão neuromuscular. Ela também está explorando músculos artificiais para uso em robótica macia, como nadadores movidos a músculos que se movem pela água com flexibilidade semelhante a peixes.

Raman desenvolveu anteriormente o que poderia ser visto como plataformas de academia e rotinas de exercícios para células musculares cultivadas em laboratório. Ela e seus colegas projetaram um hidrogel “tapete” que incentiva as células musculares a crescer e se fundir em fibras sem se afastar.

Ela também derivou uma maneira de “exercitar” as células, projetando -as geneticamente para se contorcer em resposta a pulsos de luz. E seu grupo criou maneiras de direcionar as células musculares a crescer em linhas longas e paralelas, semelhantes aos músculos naturais e estriados. No entanto, tem sido um desafio, para seu grupo e outros, projetar tecido muscular artificial que se move em várias direções previsíveis.

“Uma das coisas legais sobre os tecidos musculares naturais é que eles não apontam apenas em uma direção. Tomemos, por exemplo, a musculatura circular em nossa íris e ao redor de nossa traquéia. E mesmo dentro de nossos braços e pernas, as células musculares não apontam retas, mas em um ângulo”, observa Raman. “O músculo natural tem várias orientações no tecido, mas não conseguimos replicar isso em nossos músculos projetados”.

Blueprint muscular

Ao pensar em maneiras de cultivar tecido muscular multidirecional, a equipe atingiu uma idéia surpreendentemente simples: selos. Inspirado em parte pelo molde clássico de gelatina, a equipe procurou projetar um carimbo com padrões microscópicos que poderiam ser impressos em um hidrogel, semelhante aos tapetes de treinamento muscular que o grupo já desenvolveu anteriormente. Os padrões do tapete impresso podem servir como um roteiro ao longo do qual as células musculares podem seguir e crescer.

“A ideia é simples. Mas como você faz um carimbo com recursos tão pequenos quanto uma única célula? E como você carimla algo super macio? Esse gel é muito mais suave que Jell-O, e é algo que é realmente difícil de lançar, porque pode rasgar com muita facilidade”, diz Raman.

A equipe tentou variações no design do carimbo e, eventualmente, aterrissou em uma abordagem que funcionou surpreendentemente bem. Os pesquisadores fabricaram um pequeno carimbo portátil usando instalações de impressão de alta precisão no mit.nano, o que lhes permitiu imprimir padrões complexos de ranhuras, cada um tão largo quanto uma única célula muscular, na parte inferior do carimbo. Antes de pressionar o carimbo em um tapete de hidrogel, eles cobriam o fundo com uma proteína que ajudou a impressão do carimbo uniformemente no gel e se afasta sem grudar ou rasgar.

Como demonstração, os pesquisadores imprimiram um carimbo com um padrão semelhante à musculatura microscópica na íris humana. A íris compreende um anel de músculo ao redor da pupila. Este anel de músculo é composto de um círculo interno de fibras musculares dispostas concentradas, seguindo um padrão circular e um círculo externo de fibras que se estendem radialmente, como os raios do sol. Juntos, essa arquitetura complexa atua para restringir ou dilatar a pupila.

Uma vez que Raman e seus colegas pressionaram o padrão de íris em um tapete de hidrogel, eles revestiram o tapete com células que geneticamente projetavam para responder à luz. Dentro de um dia, as células caíram nas ranhuras microscópicas e começaram a se fundir em fibras, seguindo os padrões do tipo íris e eventualmente crescendo em um músculo inteiro, com uma arquitetura e tamanho semelhante a uma íris real.

Quando a equipe estimulou a íris artificial com pulsos de luz, o músculo contraiu em várias direções, semelhante à íris no olho humano. Raman observa que a íris artificial da equipe é fabricada com células musculares esqueléticas, que estão envolvidas no movimento voluntário, enquanto o tecido muscular na íris humana real é composto de células musculares lisas, que são um tipo de tecido muscular involuntário. Eles optaram por padronizar células musculares esqueléticas em um padrão semelhante a uma íris para demonstrar a capacidade de fabricar tecido muscular complexo e multidirecional.

“Neste trabalho, queríamos mostrar que podemos usar essa abordagem de selo para criar um ‘robô’ que possa fazer coisas que os robôs anteriores movidos a músculos não podem fazer”, diz Raman. “Optamos por trabalhar com células musculares esqueléticas. Mas não há nada que o impeça de fazer isso com qualquer outro tipo de célula”.

Ela observa que, embora a equipe usasse técnicas de impressão de precisão, o design do carimbo também pode ser feito usando impressoras 3D convencionais de mesa. No futuro, ela e seus colegas planejam aplicar o método de estampagem a outros tipos de células, além de explorar diferentes arquiteturas musculares e maneiras de ativar o músculo artificial e multidirecional para fazer um trabalho útil.

“Em vez de usar atuadores rígidos que são típicos em robôs subaquáticos, se pudermos usar robôs biológicos macios, podemos navegar e ser muito mais eficientes em termos de energia, além de sermos completamente biodegradáveis ​​e sustentáveis”, diz Raman. “É para isso que esperamos construir.”

Esta história é republicada, cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que abrange notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.