Мышечную массу можно будет нарастить при помощи полимера. Новое открытие

«Нам нужно больше мышц!». Это не тщеславное заявление для тех, кто хочет хорошо выглядеть. К сожалению, эта проблема имеет медицинские корни, и она существует уже давно. Если у некоторых людей недостаточно мышечной массы или они не могут ее увеличить. Что ж, придется им помочь.

В течение многих десятилетий ученые пытались создать искусственные мышцы, которые могли бы помочь управлять протезами, приводить в движение роботов или даже вживляться в тело для лечения паралича и других проблем, связанных с подвижностью. Однако эта идея заставляет нас задуматься о том, насколько уникальны эти ткани и как сложно воспроизвести сложную механику внутри нашего организма.

Мышцы обладают невероятной эффективностью, составляя примерно половину массы человеческого тела, по крайней мере у мужчин, как отметил Райан Труби, доктор философии и профессор инженерии из Северо-Западного университета. Это очень важная задача, которую пытаются решить специалисты в области материаловедения и робототехники. Если бы удалось создать искусственные мышцы, это принесло бы огромную пользу в различных областях, включая протезирование, замену утраченных мышечных функций и развитие робототехники. Многие работают над этой проблемой, и одна исследовательская группа уже достигла определённых успехов.

Сырье для искусственных мышц

Профессор Чэн-Хуэй Ли, доктор химических наук и инженер из Нанкинского университета в Китае, провел исследование нового полимера, обладающего свойствами, схожими с мышцами. Ли считает, что этот полимер может быть использован для лечения состояний, связанных с потерей мышечной массы, например, после травм, операций, врождённых дефектов или повреждения нервов.

Ли и его команда назвали созданный ими искусственный мышечный полимер PFPE–PCL, так как он состоит из перфторполиэфира и поликапролактондиола. Исследования показали, что этот материал обладает высокой прочностью — он способен поднимать вес, превышающий его собственный в 5000 раз — и надёжно выполняет обратимые сокращения и растяжения при активации теплом.

Использование тепла — распространенный метод для расширения и сжатия материалов. Он указывает на то, что термоактивируемые мышцы способны генерировать в 98 раз больше мощности на единицу мышечной массы по сравнению с естественными мышцами. Однако главный недостаток заключается в том, что тепло не подходит для медицинских приложений, так как можно случайно обжечь пациента во время имплантации.

Еще одна сложность в разработке искусственных мышц — заставить материалы взаимодействовать с твёрдыми поверхностями, такими как кость.

«Мышца должна соединяться с сухожилиями, которые передают силу, создаваемую мышцей, на кости… Сложно присоединить мягкий материал к твёрдому», — говорит коллега профессора Ли, доктор Труби.

Исследователи могут сделать это прямо сейчас: прикрепить искусственную мышцу к существующей мышце. В случае потери мышечной массы часто остаётся какая-то мышца, к которой можно присоединить искусственную мышцу. Ли и его команда сделали это со своим полимером на крысах. Они удалили около 30% передней большеберцовой (икроножной) мышцы, а затем пришили кусочек полимера к оставшейся мышце.

Искусственная мышца должна помочь улучшить работу и укрепить существующую ткань. По словам Ли, полимер воспроизводит механические свойства настоящих мышц. Исследования показали, что его легко сгибать и растягивать, он выдерживает большие нагрузки, быстро реагирует на изменения и прочен.

Хотя полимер не обладает способностью сокращаться внутри крыс (так как его нельзя нагревать), исследования показали, что он, вероятно, способствует росту мышц и повышению их эффективности. Учёные изучили переднюю большеберцовую мышцу крыс через четыре недели после удаления части и вживления полимера, сравнив ее с нормальной мышцей или той, у которой удалили 30%, но не добавили полимер. Оказалось, что полимер усиливает сокращение мышц и способствует росту тканей.

Ли сообщил, что их работа продемонстрировала способность полимера стимулировать регенерацию тканей благодаря улучшению упорядоченности клеток, ускорению развития мышечных волокон и усилению васкуляризации.

Перспективы исследования

Исследование Ли представляет собой типичный пример попытки использовать мягкие материалы и найти способ изменять их форму. Однако Труби подчеркнул, что тепло не является оптимальным способом обеспечения искусственной мышцы энергией для медицинских целей.

В идеале, по мнению Труби, искусственные мышцы должны питаться электричеством, подобно нашим собственным мышцам. Его лаборатория занимается разработкой электрических мышц, которые идеально подходят для робототехники.

В прошлом году Труби и его команда создали мягкую и гибкую конструкцию, способную расширяться и сжиматься, что позволяет роботам двигаться. Устройство состоит из трехмерной печатной детали в форме цилиндра, которая расширяется при повороте сервопривода. Таким образом, при повороте двигателя в ту или иную сторону вся конструкция расширяется или сужается, подобно мышце.

Ученым удалось разработать интересные методы создания структур, меняющих форму и функционирующих подобно мышцам, используя только вращение сервомотора. Тем не менее Труби признал, что предстоит ещё много работы, прежде чем искусственные мышцы можно будет использовать в медицине.

«Хотя мы достигли определенного прогресса, многое еще предстоит сделать», — сказал он.

Ли добавил, что они продолжат работать над тем, чтобы провести клинические испытания своего полимера на людях. Однако для медицинских целей этот полимер больше подходит для создания каркаса, чем для функционирования в качестве мышцы.

Можно ли использовать термоактивные мышечные полимеры, подобные тем, что использует Ли, в экзоскелете для улучшения физических возможностей человека?

«Безусловно, существуют возможности для повышения человеческих способностей с помощью таких технологий. И хотя прогресс уже достигнут, всё ещё очень трудно повторить функции настоящих мышц».

Труби полагает, что для достижения значительных успехов в разработке искусственных мышц потребуется сотрудничество специалистов из различных областей: химии, робототехники, материаловедения и биомедицинской инженерии.

«Это одна из тех грандиозных инженерных задач, где необходимо объединить различные точки зрения, чтобы преодолеть существующие барьеры».