Вештачки мускули направени од протеини

Протеза  (од старогрчки πρόσθεσις, prosthesis што значи „додаток“) е вештачки уред кој заменува дел од телото што недостига, а кој  бил изгубен заради  повреда,сообраќајна несреќа, болест,лекарски грешки  или други  фактори,како воени дејства, нагазни мини и слично.

Историјата на протетиката и ампутациската хирургија започнува на самиот почеток на хуманата медицина, од времето на првите цивилизации на Египет, Грција и Рим, кога се направени првите вистински помагала за рехабилитација препознаени  како протези.

Денес повеќе не станува збор за пасивни помагала, туку за модерни вештачки екстремитети  кои овозможуваат не само обично функционирање  туку и  екстремно спортување  како  планинарење, сурфање, скијање или уметничко лизгање.

Но сега науката оди еден чекор понатаму,а тоа е да се задоволат не само функционалните туку и естетските критериуми!

Имено, наместо  човекот да личи на киборг, металните и пластичните делови треба да се обложат со вистински мускули (но добиени по вештачки пат)!

Многу животни функции произлегуваат од био-електрохемиски реакции кои вклучуваат макромолекуларни мотори, размена на јони и вода предизвикани од нервните (електрични) импулси. Мускулите се природни електро-хемиски мотори кои сами ги чувствуваат работните физички и хемиски услови и можеме да ги сметаме како мотори со повеќе сензори. За потребите  на протетската медицина се вршат интензивни  испитувања за тоа како со електрохемиски реакции спроводливите полимери и други електроактивни материјали  вештачките  мускули да ги реплицираат двата фактори, густата гел композиција  и мултифункционалноста на мускулната клетка. Тие се фарадееви уреди: струјата што тече ја контролира брзината на движење, а потрошените полнежи  ја дефинираат амплитудата на поместување. Потрошената енергија (или која било од нејзините компоненти: мускулен потенцијал, полнеж или струја) реагира, се прилагодува и ги чувствува, во секое време, работните механички, хемиски, топлински и електрични услови: мултисензорност или самосвест. Равенките кои ја опишуваат самосвесноста беа постигнати од основната хемиска и електрохемиска кинетика и проверени со експериментални резултати.

Преведено во биологија, сензорните равенки можат да опишат: замор на мускулите, енергијата што ладнокрвните животни можат да ја извлечат од околината, зошто мускулите работат само со контракција, како мускулите го генерираат секој нервен пулс и колку пакети квантитативни информации се преведуваат во мозокот

Д-р Стефан Шилер и д-р Матијас Хубер, од Универзитетот во Фрајбург, успеале да развијат мускул исклучиво врз основа на природни протеини. Автономните контракции на тој материјал можеле да се контролираат со помош на промената на  pH и температурните промени. Движењата се водени од хемиска реакција која троши молекуларна енергија за таа цел. Вештачкиот  мускул е сè уште прототип но високата биокомпатибилност на материјалот и можноста за прилагодување на неговиот состав за да одговара на одредено ткиво може да го отвори патот за идни апликации во реконструктивна медицина, протетика, фармацевтика или мека роботика.

Во минатото, научниците земале природни протеини како основа за развој на вештачки мускулни системи и ги вградувале во мали молекуларни машини или во полимери. Сепак, сè уште не е можно да се развијат синтетички мускулни материјали кои се целосно био-базирани и се движат автономно со помош на хемиска енергија.

Материјалот што го користел тимот од Фрајбург се базира на еластин, природен  протеин кој исто така се среќава кај луѓето, давајќи еластичност на кожата и крвните садови. Следејќи го моделот на овој протеин, истражувачите развија два протеини слични на еластин, од кои едниот реагира на флуктуации на pH вредноста, а другиот на промени во температурата. Научниците ги комбинирале двата протеини со помош на фотохемиско вкрстено поврзување за да формираат двослоен материјал.

Во овој процес е можно флексибилно да се обликува материјалот и да се постави насоката на неговото движење.

Контракциите може да се вклучуваат и исклучуваат и со помош на температурни промени.

Истражувачите успеале  да предизвикаат ритмички контракции користејќи хемиски извор на енергија како гориво, во овој случај натриум сулфит. Во осцилаторна  хемиска реакција, во која pH се менува во циклуси поради посебна поврзаност на неколку реакции, додадената енергија се претвора во механичка енергија преку нерамнотежни состојби на материјалот. На овој начин,  го поттикнале материјалот да се собира автономно на цикличен начин. Тие исто успеале да ги вклучуваат и исклучуваат контракциите со помош на температурни промени: осцилирачката хемиска реакција започнала на температура од околу 20 степени Целзиусови, а материјалот почнал да прави ритмички движења. Во тој процес, станало можно да се програмираат одредени состојби за материјалот да ги преземе и повторно да ги ресетира со друг стимул. Така, научниците постигнале  едноставен систем за спроведување на учење и заборавање на основно материјално ниво.

Бидејќи се добива од природниот протеин еластин и се произведува преку биотехнолошки средства,  материјалот  е карактеризиран со висока одржливост што е исто така релевантно за технички апликации а во иднина, материјалот би можел дополнително да се развива за да реагира на други стимули, како што е концентрацијата на сол во околината и да троши други извори на енергија, како што е малат добиен од биомаса.