پزشکی بالینی

آسیبهای جدی ورزشی و بیماریها می‌تواند به عضلات انسان صدمه زده و بر کیفیت زندگی وی تاثیر بگذارد اما دانشمندان آمریکایی در تلاشی نویدبخش موفق به تولید یک عضله مصنوعی شده‌اند که نه تنها مانند نمونه واقعی عمل می‌کند، بلکه همچنین می‌تواند خود را ترمیم کند. محققان دانشگاه دوک در کارولینای شمالی برای اولین بار نشان داده‌اند که یک عضله مصنوعی می‌تواند با قدرتی مشابه یک عضله طبیعی منقبض شود. این بافت آزمایشگاهی که از سلولهای نابالغ پیش‌ساز – سلولهای خونی که برای کاربری خاص برنامه‌ریزی نشده‌اند- ساخته شده، در موشها بکار گرفته شد.
این درحالیست که به باور محققان، دستاورد آنها یک گام اساسی به سوی پرورش عضله با دوام جایگزین در انسانها محسوب می‌شود. برخلاف نمونه‌های قبلی عضلات زیست‌مهندسی شده، الیاف عضله مصنوعی جدید با شدتی مشابه نمونه طبیعی آن منقبض می‌شوند. سلولهای ماهواره‌ای- سلولهای بنیادی خفته‌ای که در اثر صدمه برای بازسازی بافت آسیب‌دیده فعال می‌شوند- در مرکز مکانسیم خود-ترمیم‌گر قرار دارند. تحریک بافت با پالسهای الکتریکی به منظور ایجاد انقباض نشان داد که عضله مهندسی شده بیش از 10 برابر قویتر از عضله آزمایشگاهی پیشین است. پس از آسیب‌دیدن عضله با سم مار، سلولهای ماهواره‌ای وارد عمل شده و الیاف آسیب‌دیده عضله را فعال، تکثیر و ترمیم کردند.
دانشمندان به مشاهده فرآیند ادغام و بلوغ عضله در یک حیوان زنده از طریف دریچه‌های شیشه‌ای کوچکی که در پشت موشها وارد کرده بودند، پرداختند. یک اصلاح ژنتیکی که منجر به تولید نورهای فلورسنت در زمان انقباض الیاف عضله می‌شد، این امکان را فراهم کرد تا قویتر شدن آن بطور بلادرنگ قابل مشاهده شود. هرچه قدرت االیاف بیشتر می شد، نور آنها نیز درخشانتر می‌شد. نتایج این پژوهش در مجله مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شده است.

تیمی بین‌المللی از دانشمندان به رهبری دانشگاه تگزاس، با استفاده از ریسمان ماهیگیری معمولی و نخ خیاطی، موفق به تولید عضله‌ مصنوعی قدرتمند شدند. عضله جدید 100 برابر وزن بیشتری را تحمل می‌کند و همچنین 100 برابر نیروی مکانیکی بیشتری را نسبت به عضله انسانی با طول و وزن همسان تولید می‌کند. این عضلات می‌توانند نیرویی برابر 7.1 اسب‌بخار را در هر کیلوگرم تولید کنند که این میزان معادل نیروی مکانیکی یک موتور جت عنوان شده است. عضلات جدید همچنین با تغییرات دمایی نیرودهی می‌شوند که از طریق الکتریکی، جذب نور یا واکنش شیمیایی سوخت‌ها تولید می‌شوند.
به گفته دانشمندان، این عضله‌ مصنوعی قدرتمند با پیچاندن و مارپیچ‌کردن ریسمان ماهیگیری پلیمری مستحکم و نخ خیاطی ساخته شده است. تاب‌دادن فیبر پلیمری، آن را به عضله‌ای تبدیل می‌کند که می‌تواند روتور سنگینی را با سرعت بالا بچرخاند. تاب‌دادن بیشتر موجب می‌شود که فیبر پلیمری‌مانند، نوار تاب‌خورده پلاستیکی و عضله‌ای را تولید کند که هنگام حرارت‌دیدن همراه با طولش منقبض می‌شود و زمانی که خنک می‌شود دوباره به طول اولیه خود بازگردد. در مقایسه با عضلات طبیعی که حدود 20 درصد منقبض می‌شوند، عضله جدید می‌تواند حدود 50 درصد طولش منقبض شود.
کاربردهای این عضلات پلیمری گسترده است زیرا بسیاری از ربات‌های انسان‌نمای پیشرفته، جوارح پروتزی و اسکلت‌های خارجی به دلیل موتورها و سیستم‌های هیدرولیکی محدود هستند؛ این سیستم‌ها به دلیل اندازه و وزنشان دارای مهارت، تولید نیرو و قابلیت فعالیت محدودی هستند. عضله جدید را می‌توان برای ربات‌ها و اسکلت‌های خارجی به کار برد. جزئیات این مطالعه در مجله Science منتشر شد. 

تیمی تحقیقاتی از دانشگاه ملی سنگاپور عضلات رباتیک و مصنوعی کارآمدی ساخته‌ است که می‌تواند وزنی معادل 80 برابر خود را بلند کند. این عضله همچنین می‌تواند هنگام حمل ‌بار، پنج برابر طول اصلی خود منبسط شود، که این موضوع در عرصه رباتیک پدیده جدیدی به شمار می‌آید. اختراع جدید راه را برای ساخت ربات‌های با قدرت و توانایی ابرانسان هموار می‌کند.
عضلات مصنوعی ارائه‌شده به طور بالقوه‌ای می‌توانند انرژی را ذخیره و تبدیل کنند، که این امر به ربات‌ها امکان نیرودهی‌ خودشان زمانی کوتاه پس از شارژشان، را می‌دهد. ربات‌های کنونی صرف نظر از میزان هوششان، توسط عضلاتشان محدود شده‌اند و فقط می‌توانند وزنی معادل نیمی از وزن خود را بلند کنند که این میزان معادل قدرت یک انسان متوسط است. عضلات مصنوعی نیز فقط سه برابر طول اولیه خود منبسط می‌شوند. درجه بازشدن عضله مولفه‌ای مهم در کارآیی آن است و عضلات جدید می‌توانند طیف وسیع‌تری از عملیات را حین حمل بارهای سنگین انجام دهند. مواد به کاررفته در سامانه رباتیک ابداعی، از مواد تشکیل‌دهنده عضله انسان تقلید می‌کنند و به سرعت به محرک‌های الکترکی پاسخ می‌گویند.
ربات‌های مجهز به چنین عضلاتی، قادر خواهند بود مانند انسان حرکت کنند و قدرت آن‌ها از قدرت انسان نیز فراتر می‌رود. برای دستیابی به چنین توانایی، تیم سنگاپوری از پلیمرهایی استفاده کرد که می‌توانند 10 برابر طول اولیه خود باز شوند. عضله‌های جدید علاوه بر قوی و واکنشی‌بودن، انرژی فرعی نیز تولید می‌کنند و هنگام انقباض و انبساط، قادر به تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی هستند.

یک گروه بین‌المللی از محققان نوع جدیدی از ‏ماهیچه مصنوعی ساخته‌اند که از نخ‌هایی از رشته‌های نانولوله کربنی درهم‌پیچیده‌ی ‏آغشته به موم پارافین تشکیل شده است. این ساختارهای محرک جدید از این لحاظ که به الکترولیت خارجی برای عمل کردن نیاز ندارند، با افزاره‌های ساخته شده قبلی متفاوت هستند. ‏این ماهیچه‌ها می‌توانند 100 هزار برابر وزن‌شان را جابجا کنند، بی‌نهایت سریع منبسط و ‏منقبض شوند و در گستره دمایی وسیعی عمل کنند. چنین خواصی می‌تواند آنها را برای ‏استفاده در گستره‌ای از کاربردها از قبیل روبات‌های انسان‌نما، منسوجات هوشمند و ‏موتورهای چرخشی پیشرفته ایده‌آل کند.‏
این گروه برای ساخت این ماهیچه‌های مصنوعی، ابتدا جنگلی از نانولوله‌های کربنی رشد ‏دادند که بصورت عمودی هم‌راستا بودند. آنها سپس صفحه نازکی از دسته‌های ‏نانولوله‌ای را از این جنگل بیرون کشیده و آن را برای ساخت نخی حاوی مارپیچ‌هایی از ‏نانولوله‌های کربنی درهم تنیده، درهم پیچاندند. در مرحله بعد، آنها این نخ را با موم ‏پارافین مذاب مخلوط کردند.‏ سپس انتهای هر رشته از این نخ به یک منبع توان متصل شد. هنگامی که یک ولتاژ اعمال ‏شد، موم گرم و منبسط شد. فشار ایجاد شده در نتیجه این انبساط سبب منقبض و بطور جزئی ‏باز شدن این نخ درهم‌پیچیده می‌شود و درنتیجه یک کنش چرخشی، مشابه آنچه موقع کشیدن ‏یک فنر مارپیچی دیده می‌شود، ایجاد می‌کند. این نخ در جهت مخالف آنچه موم پارافین ‏سرد می‌شود، می‌چرخد.
‏ماهیچه‌های مصنوعی ساخته شده قبلی بطور مشابه کار می‌کنند، اما آنها بر نانولوله‌های ‏غوطه‌ور در یک الکترولیت مایع متکی بودند. «ری باخمن» از دانشگاه تگزاس و سرپرست این گروه بین‌المللی توضیح می‌دهد که استفاده از موم ‏پارافین بطور موثری نیاز به چنین مایع رسانای خارجی را از بین می‌برد. ‏او می‌گوید: این نانورشته‌های آغشته به موم پارافین همچنین می‌توانند اجسامی هزار برابر ‏سنگین‌تر از وزن‌شان را جابجا کنند و در مقایسه با ماهیچه‌های طبیعی با همان اندازه، در مدت ‏انقباض، 85 برابر توان مکانیکی بیشتری تولید می‌کند. ‏مارپیچی بودن این نخ نانولوله‌ای ضریب انبساط گرمایی‌اش را حتی بدون موم پرکننده تا ‏‏10 برابر افزایش می‌دهد. طبق گفته این محققان این انبساط گرمایی بالا برای این نخ‌های ‏مارپیچی، بدین معنی است که آنها برای استفاده در منسوجات هوشمند ایده‌آل هستند. ‏این محققان، جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی ‏Science‏ منتشر کرده‌اند.‏

تیمی بین‌المللی از دانشمندان مستقر در دانشگاه تگزاس موفق به تولید نوع جدید ماهیچه مصنوعی با استفاده از نانوتیوب‌های کربن شدند. این نانوتیوب‌ها سیلندرهای ریز توخالی هستند که از همان لایه‌های گرافیت مورد استفاده در مغز مدادهای استاندارد ساخته شده‌اند. بر خلاف این واقعیت که عضلات جدید 10 هزار برابر کوچک‌تر از قطر موی انسان هستند، آن‌ها قادرند بیش از 100 هزار برابر وزن خود را از جا بلند کنند که این میزان تقریباً 85 برابر قدرت ماهیچه طبیعی با سایز معادل عنوان شده است. عضلات طراحی شده با استفاده از یک نخ تاب خورده سیلندرهای کربنی ناچیز و سپس تعبیه یک "مهمان" تغییردهنده حجم (در این حالت موم پارافین مورد استفاده در شمع‌) در درون آن‌ها، تولید شده‌اند. نخ پوشیده شده از موم سپس به صورت الکتریکی یا توسط جرقه‌یی از نور حرارت داده می‌شود. این امر موجب انبساط موم، افزایش حجم نخ و انقباض طول ماده می‌شود. این انقباض ماهیچه‌یی یا تحریک (actuation) می‌تواند در فقط 25 هزارم ثانیه رخ دهد.
با در نظر گرفتن هر دوی عمل تحریک و معکوس تحریک، محققان موسسه فناوری ماساچوست چگالی نیروی 4.2 kW/kg یعنی چهار برابر کسر نیرو بر وزن یک موتور احتراق داخلی نوعی را برای این ماهیچه ثبت کردند. درحالیکه این فناوری می‌تواند دارای کاربردهای متعددی باشد، انتظار نمی‌رود که حداقل در زمان حاضر در بدن انسان قابل استفاده باشد. گفته می‌شود سیستم ارائه شده می‌تواند در گستره وسیعی از حوزه‌ها از جمله کاترهای مورد استفاده در جراحی‌های با حداقل عمل تهاجمی، اسباب‌بازی‌ها و ربات‌ها قابل کاربرد باشد.
این عضلات همچنین می‌توانند در مواد هوشمند خود تامین‌کننده از قبیل لباس‌های حافظتی که به تغییرات موجود در دمای محیطی واکنش نشان می‌دهند، به کار روند. افزون بر این، لوله‌های کربنی مجهز به موم قادر به تحمل درجه حرارت هزار درجه سلسیوس بالاتر از نقطه ذوب فولاد هستند که هیچ محرک کنونی قادر به عملکرد در این دما نیست. گام بعدی پیش روی دانشمندان، افزایش مقیاس عضلات تک الیافی و تبدیل آن‌ها به سیستم‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر است که از هزاران ماهیچه الیافی تشکیل شده باشند. جزئیات این دستاورد علمی در مجله Science انتشار یافت.

محققان انگليسي با الگوبرداري از ماهي مركب و گورخر ماهي موفق به ساخت ماهيچه مصنوعي با قابليت تغيير رنگ شده‌اند كه مي‌تواند در آينده منجر به توليد لباس‌هاي هوشمند با قابليت استتار فرد شود. اساس كار ماهيچه مصنوعي سلول‌هاي حاوي رنگدانه موجود در بدن ماهي مركب، گورخر ماهي و ساير خزندگان است كه امكان تغيير رنگ بدن اين موجودات را فراهم مي‌كند. «جاناتان روسيتر» سرپرست تيم تحقيقاتي دانشگاه بريستول تأكيد مي‌كند: ايده طراحي ماهيچه مصنوعي با قابليت تغيير رنگ از طبيعت الهام گرفته شده است. در بدن دوزيستان، خزندگان و گونه‌هاي مختلف ماهي و ماهيان مركب، سلول‌هاي حاوي رنگدانه موسوم به كروماتوفور (chromatophores) وجود دارد.
يك نوع خاص از سلول‌هاي تغيير رنگ در بدن ماهي مركب داراي يك كيسه مركزي حاوي گرانول رنگدانه است. اين كيسه توسط مجموعه‌اي از ماهيچه‌ها احاطه شده است و زماني كه سلول آماده تغيير رنگ مي‌شود، سيگنالي از مغز به ماهيچه‌ها ارسال مي‌شود و ماهيچه‌ها منقبض مي‌شوند. انقباض ماهيچه‌ها باعث منبسط شدن كيسه مركزي مي شود و در اين حالت به نظر مي رسد كه رنگ ماهي تغيير كرده است. بدن گورخرماهي نيز حاوي مخزن كوچك از مايع رنگدانه سياه است كه در زمان فعال شدن به سطح پوست آمده و مانند ريختن جوهر پخش مي شود كه در اين حالت به نظر مي رسد اندازه ماهي بزرگتر شده است.
از اين الگوها براي ساخت ماهيچه مصنوعي با قابليت تغيير رنگ استفاده شد و محققان انقباض سريع ماهيچه‌ها را با استفاده از الاستومرهاي دي الكتريك (DEs)‌ تقليد كردند. همچنين يك لايه سيليكوني توليد شد كه دو پمپ DEs انعطاف پذير در هر دو سمت قرار داده مي‌شود و با يك لوله سيليكوني به سيستم مركزي متصل مي‌شود. كروماتوفور مصنوعي قابليت تطبيق با شرايط مختلف را دارد و مي‌تواند در آينده به محققان براي توليد لباس هوشمند با قابليت استتار در محيط‌هاي مختلف كمك كند. جزئيات كامل اين تحقيق در مجله Bioinspiration and Biomimetics منتشر شده است.