Científicos están explorando el potencial de utilizar tejido muscular para alimentar robots, conocidos como robots “biohíbridos”. Si bien se han logrado avances en la creación de músculos artificiales, estos se han limitado en gran medida a tirar en una sola dirección. Ahora, ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo método para cultivar tejido muscular artificial que puede contraerse y flexionarse en múltiples direcciones coordinadas, abriendo nuevas posibilidades para estos bio-robots.
El músculo esquelético, esencial para el movimiento, depende de la contracción y tracción coordinada de numerosas fibras. Mientras que algunos músculos exhiben una alineación unidireccional, otros forman patrones intrincados, lo que permite diversos movimientos corporales. Esta complejidad natural ha inspirado a científicos e ingenieros a explorar los músculos como posibles actuadores para robots “biohíbridos”. Estas máquinas, impulsadas por fibras musculares blandas cultivadas artificialmente, podrían navegar por espacios confinados inaccesibles para los robots tradicionales. Sin embargo, una limitación significativa ha sido la capacidad de fabricar músculo artificial que tire en una sola dirección, restringiendo el rango de movimiento de un robot.
Ahora, un avance de los ingenieros del MIT ofrece una solución a este desafío. Han desarrollado un nuevo método para cultivar tejido muscular artificial capaz de contraerse y flexionarse en múltiples direcciones coordinadas. Para demostrar esta capacidad, cultivaron con éxito una estructura artificial impulsada por músculos que exhibe tracción concéntrica y radial, imitando la acción del iris humano al dilatar y contraer la pupila. Esto representa un paso significativo en la creación de bio-robots con movimientos más complejos y versátiles.
La clave de esta innovación radica en un nuevo enfoque de “estampado” desarrollado por los investigadores. Este método implica imprimir en 3D un pequeño sello de mano con ranuras microscópicas, cada una tan pequeña como una sola célula. Luego, este sello se presiona en un hidrogel blando, y las células musculares reales se siembran en las ranuras resultantes. Las células crecen naturalmente a lo largo de estos patrones impresos dentro del hidrogel, formando fibras musculares que siguen el diseño del sello. Cuando se estimulan, estas fibras se contraen en múltiples direcciones, siguiendo con precisión su orientación dictada por el sello.
Ritu Raman, la Profesora de Desarrollo Profesional Eugene Bell de Ingeniería de Tejidos en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, destaca la importancia de este desarrollo, afirmando: “Con el diseño del iris, creemos que hemos demostrado el primer robot impulsado por músculo esquelético que genera fuerza en más de una dirección. Eso fue posible únicamente gracias a este enfoque de estampado”. Esto subraya el potencial transformador del método de estampado para crear bio-robots con capacidades mejoradas.
Una ventaja notable de este enfoque es la accesibilidad de la tecnología de estampado. El equipo informa que el sello se puede imprimir utilizando impresoras 3D de mesa convencionales y personalizarse fácilmente con diferentes patrones de ranuras microscópicas. Esto abre posibilidades para cultivar patrones complejos no solo de músculo, sino también potencialmente de otros tipos de tejidos biológicos, como neuronas y células cardíacas, que se asemejan y funcionan estrechamente a sus contrapartes naturales. Como enfatiza Raman, “Queremos crear tejidos que repliquen la complejidad arquitectónica de los tejidos reales. Para hacer eso, realmente necesitas este tipo de precisión en tu fabricación”.
Los hallazgos de esta investigación se publicaron en la revista de acceso abierto Biomaterials Science, con la primera autora Tamara Rossy y otros coautores del MIT y la Universidad de Tel Aviv. Esta publicación pone la metodología y los resultados a disposición de la comunidad científica, fomentando una mayor investigación y desarrollo en este campo.
El laboratorio de Raman en el MIT se dedica a la ingeniería de materiales biológicos que imitan la detección, la actividad y la capacidad de respuesta de los tejidos reales en el cuerpo. Su trabajo tiene como objetivo aplicar estos materiales bioingenierizados en varios dominios, desde la medicina hasta las máquinas. Por ejemplo, están explorando la fabricación de tejido artificial para restaurar la función en individuos con lesiones neuromusculares e investigando el uso de músculos artificiales en robótica blanda, como nadadores impulsados por músculos que se mueven con flexibilidad similar a la de los peces.
Antes de este avance, Raman ya había desarrollado técnicas innovadoras para cultivar células musculares cultivadas en laboratorio. Esto incluía la creación de una “estera” de hidrogel que promueve el crecimiento y la fusión de las células musculares en fibras sin desprenderse. También ideó un método para “ejercitar” las células mediante la ingeniería genética para que se contrajeran en respuesta a pulsos de luz. Además, su grupo había desarrollado formas de guiar a las células musculares para que crecieran en líneas largas y paralelas, similares a los músculos estriados naturales. Sin embargo, lograr un movimiento multidireccional y predecible en el tejido muscular artificial seguía siendo un desafío significativo para su grupo y otros en el campo.
Raman reconoce la complejidad inherente de los tejidos musculares naturales, señalando: “Una de las cosas interesantes de los tejidos musculares naturales es que no solo apuntan en una dirección. Tomemos, por ejemplo, la musculatura circular de nuestro iris y alrededor de nuestra tráquea. E incluso dentro de nuestros brazos y piernas, las células musculares no apuntan en línea recta, sino en ángulo”. Destaca el hecho de que el músculo natural exhibe múltiples orientaciones dentro del tejido, una característica que había sido difícil de replicar en los músculos diseñados hasta ahora.
La solución del equipo para cultivar tejido muscular multidireccional surgió de una idea sorprendentemente simple: usar sellos. Inspirándose en los moldes clásicos de gelatina, imaginaron diseñar un sello con patrones microscópicos que pudieran imprimirse en un hidrogel, similar a las esteras de entrenamiento muscular que habían desarrollado previamente. Estos patrones impresos servirían entonces como un plano, guiando a las células musculares para que crecieran y se alinearan en direcciones específicas.
Sin embargo, traducir esta simple idea en un método práctico presentó desafíos técnicos. Como explica Raman, “La idea es simple. Pero, ¿cómo se hace un sello con características tan pequeñas como una sola célula? ¿Y cómo se estampa algo que es súper blando? Este gel es mucho más blando que la gelatina, y es algo que es realmente difícil de moldear, porque podría romperse muy fácilmente”. El equipo tuvo que superar estos obstáculos para implementar con éxito su enfoque de estampado.
A través de variaciones en el diseño del sello, el equipo finalmente llegó a un enfoque que demostró ser notablemente eficaz. Fabricaron un pequeño sello de mano utilizando instalaciones de impresión de alta precisión en MIT.nano, lo que les permitió crear intrincados patrones de ranuras, cada una aproximadamente del ancho de una sola célula muscular, en la parte inferior del sello. Para evitar que se pegara y se rasgara al presionar el sello en la estera de hidrogel, recubrieron la parte inferior con una proteína que facilitó una impresión uniforme y una liberación limpia.
Para demostrar las capacidades de su método de estampado, los investigadores imprimieron un sello con un patrón que imitaba la musculatura microscópica del iris humano. El iris consta de un anillo de músculo que rodea la pupila, con un círculo interno de fibras musculares dispuestas concéntricamente y un círculo externo de fibras que se extienden radialmente. Esta compleja arquitectura permite que el iris contraiga o dilate la pupila.
Después de presionar el patrón del iris en una estera de hidrogel, el equipo recubrió la estera con células que habían sido modificadas genéticamente para responder a la luz. En un día, las células se asentaron en las ranuras microscópicas y comenzaron a fusionarse en fibras, siguiendo los patrones similares a los del iris. Este proceso resultó en el crecimiento de un músculo artificial completo con una arquitectura y un tamaño comparables a los de un iris real.
Cuando el equipo estimuló el iris artificial con pulsos de luz, el músculo se contrajo en múltiples direcciones, reflejando el comportamiento del iris humano. Raman señala que, si bien el iris artificial se fabricó utilizando células musculares esqueléticas, que están involucradas en el movimiento voluntario, el tejido muscular en el iris humano real está compuesto por células musculares lisas, un tipo de tejido muscular involuntario. La elección de modelar las células musculares esqueléticas en un patrón similar al del iris fue principalmente para mostrar la capacidad de fabricar tejido muscular complejo y multidireccional utilizando su método de estampado.
Raman enfatiza las implicaciones más amplias de esta demostración, afirmando: “En este trabajo, queríamos demostrar que podemos usar este enfoque de estampado para crear un ‘robot’ que pueda hacer cosas que los robots impulsados por músculos anteriores no pueden hacer”. Destaca la versatilidad del método de estampado, señalando: “Elegimos trabajar con células musculares esqueléticas. Pero no hay nada que te impida hacer esto con cualquier otro tipo de célula”. Esto sugiere que la técnica se puede aplicar para crear tejidos complejos a partir de varios tipos de células.
Si bien el equipo utilizó técnicas de impresión de precisión para su demostración inicial, Raman señala que el diseño del sello también se puede crear utilizando impresoras 3D de mesa convencionales, lo que hace que la tecnología sea más accesible. De cara al futuro, ella y sus colegas planean aplicar el método de estampado a otros tipos de células y explorar diferentes arquitecturas musculares. También tienen como objetivo investigar varias formas de activar el músculo artificial multidireccional para realizar trabajos útiles.
Raman prevé un futuro en el que los robots biológicos blandos, impulsados por estos músculos diseñados, puedan ofrecer ventajas significativas sobre los robots rígidos tradicionales. Ella sugiere que “En lugar de usar actuadores rígidos que son típicos en los robots submarinos, si podemos usar robots biológicos blandos, podemos navegar y ser mucho más eficientes energéticamente, al mismo tiempo que somos completamente biodegradables y sostenibles”. Esta visión destaca el potencial de esta tecnología para contribuir a sistemas robóticos más respetuosos con el medio ambiente y adaptables.
Este trabajo innovador fue apoyado por fondos de varias organizaciones, incluyendo la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. Este apoyo subraya la importancia y el impacto potencial de esta investigación en el avance del campo de la robótica biohíbrida y la ingeniería de tejidos.
Ingenieros del MIT han desarrollado una técnica de “estampado” para cultivar tejido muscular artificial que se mueve en múltiples direcciones coordinadas, imitando la complejidad muscular natural. Este avance, demostrado con un iris artificial, abre posibilidades para robots biohíbridos capaces de navegar espacios intrincados y ofrece potencial para restaurar la función en personas con lesiones neuromusculares. El método, fácilmente replicable con impresoras 3D de escritorio, promete revolucionar campos desde la medicina hasta la robótica sostenible, con máquinas biodegradables impulsadas por músculos que redefinirán nuestras capacidades.
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