Ingenieure falten Kunst in neue Geräte

Nov 15, 2023

Origami, die Kunst, Papier zu dreidimensionalen Objekten zu falten, ist ein reiner Ausdruck von Ästhetik und Geometrie. Künstler „lehren“ ein Blatt Papier, indem sie es in präzisen Mustern positionieren, halten und falten, wobei die Falten zu „Erinnerungen“ in seinen Fasern werden. Es zu schaffen, kann faszinierend und sogar erfreulich sein. Aber es bietet noch viele weitere potenzielle Anwendungen und Vorteile – und einer davon ist die Herstellung von künstlichem Lebergewebe für das Screening medizinischer Therapien.

Carol Livermore, Ph.D., ist außerordentliche Professorin für Maschinenbau an der Northeastern University. „Mein Labor arbeitete an Techniken zur gezielten Montage winziger Objekte, einschließlich Zellen, auf flachen Oberflächen. Wir hatten bereits eine großartige Technik, um Zellen unterschiedlicher Größe oder Art dort zu platzieren, wo wir sie haben wollten, aber nur so lange, wie das benötigte Gewebe flach war.“

Beim Brainstorming mit ihrem Team beleuchtete Dr. Livermore Origami als eine Möglichkeit, 2D-Muster in 3D-Objekte umzuwandeln. „Origami erzeugt alle möglichen faszinierenden Formen, weist aber auch andere, weniger bekannte Merkmale auf. Sie können beispielsweise Strukturen so entwerfen, dass es beim Falten nur ein wahrscheinliches Ergebnis gibt.“

Ihr Projekt erhielt 2 Millionen US-Dollar von der National Science Foundation (NSF) und dem US Air Force Office of Scientific Research, einem von vielen Projekten, bei denen ausdrücklich gefordert wurde, Origami für einen wichtigen technischen Zweck zu verwenden und Origami-Künstler und Mathematiker einzubeziehen.

Mit dem Physiker und Origami-Meister Robert J. Lang, Ph.D., an Bord lernte das Team etwas über Origami-Designs mit „einzelnem Freiheitsgrad“. „Grundsätzlich gilt: Wenn Sie die Falten an den richtigen Stellen ausrichten, dann eine Hand an Ort und Stelle lassen und mit der anderen Hand einen anderen Teil des Blattes greifen, wird die Richtung, in die eine Falte gehen wird, völlig vorhersehbar“, sagte Dr. Livermore. „Diese Zuverlässigkeit ist für die technischen Ergebnisse sehr wichtig.“

Die Leberfunktion ist schwer zu reproduzieren. Im Lebergewebe fließt das Blut durch winzige Bahnen, sogenannte Sinusoide, sodass Moleküle die einzelnen Schichten der Hepatozyten erreichen können, die Substanzen aus dem Blut filtern.

„Dieses Muster wiederholt sich in einem Gewebeblock immer wieder. Wenn die Nährstoffe und Chemikalien, die von der Leber verarbeitet werden müssen, einen Hepatozyten nicht erreichen können, gedeiht er nicht und ist nicht nützlich, und es werden all diese unglaublich dünnen Schichten benötigt. Dann ist ein Fluss durch die Blutgefäße und eine Diffusion durch die Endothelschichten erforderlich. Dadurch können Substanzen die Hepatozyten erreichen und sie gleichzeitig vor der Scherbeanspruchung des vorbeifließenden Flusses schützen“, erklärte Dr. Livermore.

Origami, automatisch eine Schichtstruktur, war eine optimale Lösung. In dem künstlichen Origami-Gewebe wurden Zellen auf einer stabilen, nanoporösen Polycarbonatmembran ausgesät, die mit Kollagen beschichtet war, um die Zellen lebensfähig zu halten, wobei winzige Poren als Endothelschichten fungierten, die die Sinusoide auskleiden. „Jetzt könnten wir Hepatozyten auf der einen Seite und Endothelzellen auf der anderen Seite platzieren. Auf der einen Seite der nanoporösen Membran strömten Zellkulturmedium wie künstliches Blut, auf der anderen Seite Hepatozyten und Zellkulturmedium sowie eine Diffusion durch die Membran, wodurch Nährstoffe zu den Hepatozyten transportiert wurden.“

Um den Fluss zu lenken, wurde doppelseitiges Kapton®-Klebeband mit lasergeschnittenen Löchern in präzisen Abständen verwendet. Als nächstes wurden die doppelseitigen Klebebänder und Membranen immer wieder im Akkordeon-Stil im 90-Grad-Winkel gefaltet (zur Veranschaulichung zwei Papierstreifen im rechten Winkel zusammenlegen und falten). Durch die Löcher im gefalteten Band entstand ein Fließweg. „Das Coole ist, dass wir dadurch die Möglichkeit hatten, das, was im Körper passiert, einigermaßen nachzubilden. Das Origami-Muster wurde deterministisch manuell gefaltet, seine Falten wurden per Laser vordefiniert; eine technische Nachahmung der Art und Weise, wie Origami-Künstler ihre Arbeit gestalten.“

Dr. Livermore und ihr Team haben kürzlich das NSF-Projekt abgeschlossen und damit ihr erstes Ziel erreicht: die Schaffung künstlicher Gewebegeräte, die wie menschliches Gewebe funktionieren und auf eine medikamentöse Therapie reagieren.

Wie beim Origami wird auch beim Kirigami gefaltet, aber auch geschnitten und geklebt. Katia Bertoldi, Ph.D., Hauptforscherin der Bertoldi-Gruppe an der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences der Harvard University, experimentiert seit langem mit dieser Form und entwickelt beispielsweise weiche Roboter, die sich wie Schlangen bewegen und über Kirigami-Schuppen verfügen Fortbewegung. „Kirigami ist eine einfache Plattform, die Schnitte in Papier einführt, aber es ist faszinierend, was man damit machen kann – so viele interessante Formen, die sich verändern und verwandeln.“

Jetzt entwickelt sie Schuhsohlen auf Kirigami-Basis, um Stürze auf rutschigen Oberflächen wie Eis zu verhindern. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation ereignen sich jährlich weltweit 37,3 Millionen schwere Sturzverletzungen mit 646.000 Todesopfern, eine große Zahl davon bei Menschen über 65 Jahren.

Dr. Bertoldis Rolle bei der Entwicklung des Geräts bestand darin, die erforderliche Geometrie zu erforschen, herauszufinden, wie sich sein Design auf die Ergebnisse auswirken würde, und es an das Verhalten menschlicher Füße anzupassen.

Überlegen Sie, wie die Schuppen einer Schlange den Boden festhalten. „Unser Konzept ist der Art und Weise, wie Schlangen ihre Schuppen nutzen, sehr ähnlich. Als wir sie untersuchten, erfuhren wir, dass sich die Skalen auch auf und ab bewegen und jede Skala unabhängig voneinander betätigt wird. Das haben wir in dem künstlichen System umgesetzt, das wir entwickelten.“

Die lasergeschnittene Stahlsohle sieht bemerkenswert aus wie Schlangenschuppen aus Metall und ist zufriedenstellend symmetrisch. Die am Schuh befestigten Schuppen öffnen sich nach außen, wenn sich der Fuß mitten im Schritt beugt, und ragen darunterliegende Zähne hervor, die durch die Erhöhung der Reibung mit dem Boden auf vereisten Oberflächen greifen. Sobald der Schritt abgeschlossen ist, ziehen sie sich zurück und die Schuppen werden flacher, bereit für den nächsten Schritt.

„Im Moment ist es ein abnehmbares Stahlblech, das an einer Gummisohle befestigt wird. Wir haben ein Patent angemeldet und können dann daran arbeiten, es in Schuhsohlen einzubetten – das hat Auswirkungen auf den Herstellungsprozess. Wir wollen nicht, dass die Verbindung die gewünschte Bewegung verhindert.“

Während es sich bei den Testpersonen um junge, gesunde Erwachsene handelte, sieht Dr. Bertoldi Potenzial für die Anpassung der Sohlen an ältere oder eingeschränkte Gangarten. „Einer unserer Schwerpunkte ist die Aktivität im Freien und die Vermeidung von Ausrutschern und Stürzen älterer Menschen. Ein anderer Fall betrifft die Industrie, wo es zu vielen Arten von Stürzen kommt. Jede Umgebung hat unterschiedliche Bedingungen und erfordert unterschiedliche Materialien. Wir wollen die Geometrie, Herstellung und Materialien sowie deren Integration in den Schuh optimieren, um diese Funktionalität zu erreichen.“

Dr. Bertoldi und ihre Kollegen sprechen mit interessierten Unternehmen über die Unterstützung der Arbeit. In der Zwischenzeit entwickeln sie auch den abnehmbaren Prototypen und lernen, wie man ihn substanzieller in die Schuhe integriert.

Sie räumt ein, dass es bestimmte Fälle gibt, in denen eine abnehmbare Sohle in bestimmten Situationen besser sein könnte, die meisten Rückmeldungen deuten jedoch auf die Integration in den Schuh hin. „Da liegt gerade das Interesse.“

Medikamente von Grund auf neu zu entwickeln bedeutet, dass Tausende von Möglichkeiten verworfen werden. Nach Tests, Zellkulturen, Tierversuchen und klinischen Studien haben Forscher das Glück, einen vielversprechenden Kandidaten zu finden. Ein zukünftiger Schritt für Dr. Livermore wird die Vergrößerung des Geräts für die Pharmaentwicklung sein. „Was wäre, wenn Sie schnell herausfinden könnten, welche Kandidaten nicht funktionieren, bevor Sie sie am Menschen testen? Letztendlich ist es unser Ziel, den Prozess zu beschleunigen.“

Ein weiteres Ziel ist die Schaffung von Multiorgansystemen. „Zum Beispiel wandelt die Leber Arzneimittel in andere Formen um, die sich auf das Herz auswirken können“, sagte Dr. Livermore. „Können wir Origami-fähige Multiorgane herstellen, größere ‚Systeme auf einem Chip‘, die Leber- und Herzfunktionen und deren Interaktion nachbilden?

„Dann gibt es noch die personalisierte Medizin. Es ist besser, wenn Sie gleich beim ersten Mal das richtige Medikament anbieten können, anstatt Zeit mit Experimentieren zu verlieren. Wenn wir ein gutes Modell liefern können – und daran arbeiten nicht nur wir –, könnte eine ganze Reihe an Zellen eines Patienten ausprobiert werden, um herauszufinden, was am besten funktioniert.“

Darüber hinaus stellt sich Dr. Livermore eine Origami-gestützte Entwicklung transplantierbarer Gewebe mit komplexen 3D-Strukturen vor. „Die meisten transplantierbaren Gewebe – Blasen oder Haut, die in einem Labor gezüchtet werden können – sind im Grunde flache Laken. Können wir den nächsten Schritt machen und zu 3D gelangen? Der Origami-Ansatz bietet Komplexität, die mit anderen Mitteln viel schwieriger zu erzeugen ist.“

Interessiert Sie die Beziehung zwischen Kunst und Technik? Das SWE Magazine wird diesen Gedanken in der kommenden Ausgabe der WE20-Konferenz im Einklang mit dem WE20-Thema „Practice Curiosity“ ausführlicher untersuchen. Bleiben Sie dran!

Alle Beiträge anzeigen