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Fold a sheet of paper, cut a few slits, unfold it, and you get a snowflake. That is kirigami, and engineers have borrowed it for deployable structures for spacecraft and for semiconductors. At the University of Illinois Chicago's College of Engineering, a team has now applied the same logic to soft gels that can hold living cells, to build shapes that mimic tissue forms found in the human body.
Piegate un foglio di carta, praticate qualche taglio, apritelo e otterrete un fiocco di neve. È il kirigami, che gli ingegneri hanno adottato per strutture dispiegabili per veicoli spaziali e per i semiconduttori. Al College of Engineering dell'University of Illinois Chicago, un team ha ora applicato la stessa logica a gel morbidi capaci di ospitare cellule vive, per costruire forme che imitano le strutture tissutali del corpo umano.
Kirigami's techniques give flat, stiff materials new stretchability and flexibility, and they can reshape a material without changing its composition. Its potential has been explored in wearable technology and optics, but, as Gasvoda put it, not readily in tissue engineering or with soft, gel-like materials that carry cells. The team says conventional approaches "have struggled to reproduce some of these structures, particularly those with complex curvatures and other intricate features."
Le tecniche del kirigami conferiscono a materiali piatti e rigidi nuova elasticità e flessibilità, e permettono di rimodellare un materiale senza cambiarne la composizione. Il suo potenziale è stato esplorato nella tecnologia indossabile e nell'ottica, ma, come ha spiegato Gasvoda, non in modo immediato nell'ingegneria tissutale né con materiali morbidi e gelatinosi che ospitano cellule. Secondo il team, gli approcci convenzionali «hanno faticato a riprodurre alcune di queste strutture, in particolare quelle con curvature complesse e altre caratteristiche intricate».
The mechanism rests on two ideas. The first is the hydrogel itself, a water-rich gel made from gelatin and alginate, a natural polymer derived from seaweed. The second is photolithography, a technique that uses patterned light to create regions with different crosslinking densities, meaning regions where the polymer chains are linked together more or less tightly. The researchers designed a rigid outer framework that keeps its shape in the culture medium, while the inner regions absorb the medium and expand. The difference makes the construct bend, fold and transform over time, which is what the paper calls "4D": a three-dimensional structure whose shape changes as time passes. The constructs take their final form without additional manipulation by the researchers.
Il meccanismo si basa su due idee. La prima è l'idrogel stesso, un gel ricco d'acqua a base di gelatina e alginato, un polimero naturale derivato dalle alghe. La seconda è la fotolitografia, una tecnica che usa la luce strutturata per creare zone con densità di reticolazione diverse, cioè zone in cui le catene polimeriche sono legate tra loro più o meno strettamente. I ricercatori hanno progettato una cornice esterna rigida che mantiene la sua forma nel terreno di coltura, mentre le zone interne assorbono il mezzo e si espandono. La differenza fa sì che la costruzione si pieghi, si ripieghi e si trasformi nel tempo, ed è ciò che l'articolo chiama «4D»: una struttura tridimensionale la cui forma cambia con il passare del tempo. Le costruzioni assumono la forma definitiva senza ulteriori manipolazioni da parte dei ricercatori.
The result is still a laboratory demonstration. The team has shown the platform can generate complex geometries alongside new tissue formation, but it has not yet been tested in animals, and the authors give no date for that step. Their long-term goal is clinical translation, which would be a further stage still.
Il risultato è ancora una dimostrazione di laboratorio. Il team ha mostrato che la piattaforma può generare geometrie complesse insieme alla formazione di nuovo tessuto, ma non è ancora stata testata sugli animali, e gli autori non indicano alcuna data per questa fase. Il loro obiettivo a lungo termine è il trasferimento clinico, che sarebbe un ulteriore stadio.
For patients, nothing changes yet. For tissue engineers, the approach offers a new way to program the shape of a construct instead of sculpting it by hand. If the animal studies follow, the team's stated targets are cartilage, bone, tracheal and vascular tissues, the structures whose intricate three-dimensional shapes have been hardest to reproduce.
Per i pazienti, per ora non cambia nulla. Per gli ingegneri tissutali, l'approccio offre un nuovo modo di programmare la forma di una costruzione invece di scolpirla a mano. Se seguiranno gli studi sugli animali, i bersagli dichiarati dal team sono tessuti cartilagineo, osseo, tracheale e vascolare, le strutture le cui intricate forme tridimensionali sono state più difficili da riprodurre.