Используя ультразвуковые звуковые поля, хрящевые клетки, взятые из колена пациента, можно левитировать в течение нескольких недель в богатой питательными веществами жидкости. Это означает, что питательные вещества могут достигать любой части поверхности культуры и в сочетании со стимуляцией, обеспечиваемой ультразвуком, позволяют клеткам расти и формировать лучшую ткань имплантата, чем при выращивании на стеклянной чашке Петри.
Крепко, но осторожно удерживая клетки в необходимом положении, пинцет также может придать растущую ткань точно правильную форму, чтобы имплант действительно соответствовал назначению, когда вставлялся в колено пациента. Ежегодно в Великобритании выполняется более 75 000 замен коленного сустава; многих можно было бы избежать, если бы можно было улучшить хрящевые имплантаты.
Ультразвуковой пинцет был разработан исследователями из университетов Саутгемптона, Бристоля, Данди и Глазго, а также рядом промышленных партнеров.
Профессор Мартин Хилл, руководитель отдела технических наук в Университете Саутгемптона, руководил работой по инженерии хрящевой ткани в сотрудничестве с коллегами доктором Питером Глинн-Джонс, научным сотрудником New Frontiers в области технических наук, доктором Рахулом Таром, преподавателем костно-мышечной науки и биоинженерии. и профессор Ричард Ореффо, профессор костно-мышечной науки.
Профессор Хилл говорит: «Ультразвуковой пинцет может обеспечить, по сути, среду невесомости, идеально подходящую для оптимизации роста клеток.
Помимо левитации клеток, пинцет может гарантировать, что агломераты клеток сохраняют плоскую форму, идеально подходящую для поглощения питательных веществ. Они даже могут нежно массировать агломераты, способствуя образованию хрящевой ткани."
Профессор Брюс Дринкуотер из Бристольского университета, который координировал программу, говорит: «У ультразвуковых пинцетов есть все возможные применения в биологии, нанотехнологиях и в других отраслях промышленности.
Они обладают большими преимуществами перед оптическими пинцетами, использующими световые волны, а также перед электромагнитными методами манипулирования клетками; например, в них полностью отсутствуют движущиеся части и они могут манипулировать не только одной или двумя ячейками за раз, но и кластерами до 1 мм в поперечнике — масштаб, который делает их очень подходящими для таких приложений, как тканевая инженерия."
Пинцет, разработанный при финансовой поддержке Совета по исследованиям в области инженерных и физических наук (EPSRC), включает в себя множество крошечных пучков ультразвуковых волн, которые в типичном устройстве направляются в камеру диаметром 10 мм со всех сторон.
С помощью мощного микроскопа для наблюдения за процедурой можно управлять силами, создаваемыми волнами, таким образом, чтобы они подталкивали клетки в нужное положение, поворачивали их или удерживали их на месте.
Программа исследований также показала, что ультразвуковой пинцет можно использовать для наращивания клеточной ткани слой за слоем, что может, например, помочь восстановить нервную ткань после тяжелой травмы, такой как ампутация конечности.
Это исследование позволит усовершенствовать и миниатюризировать технологию ультразвуковых пинцетов, а также изучить и разработать конкретные области применения в ближайшие несколько лет. Первые реальные приложения в таких секторах, как бионаука и электроника, потенциально могут быть разработаны в течение примерно пяти лет.