Секреты жука-жужелицы могут привести к улучшению тканевой инженерии

Первое инженерное исследование внутренних потоков жидкостей у насекомых — существ, эффективно эволюционировавших миллионы лет, — может дать инженерам и учёным новые идеи для создания лучших искусственных тканей и органов, а также для проектирования новых имплантируемых медицинских микроустройств.

Исследователи из Виргинского технологического университета (Virginia Tech) планируют проанализировать насекомых с помощью современного оборудования, включая синхротронный рентгеновский источник длиной в километр. Первыми объектами станут жуки-жужелицы, саранча и шелкопряды из-за их особых характеристик.

Эта работа, поддержанная Национальным научным фондом США (NSF) как часть программы «Emerging Frontiers in Research and Innovation», получила грант в размере $2 млн на четыре года. Институт критических технологий и прикладных наук Виргинского политеха (ICTAS) также выделил $298 466 на три года в рамках проекта «Grand Challenge».

Исследовательскую группу возглавляет Джейк Соча, доцент кафедры инженерной науки и механики (ESM). В команду также входят профессор Джон Харрисон из Университета штата Аризона и несколько учёных из Virginia Tech.

Цель проекта — применить знания о том, как насекомые управляют потоками жидкостей на микроскопическом уровне, для целей биоинженерии. Исследователи надеются использовать «проворство, динамический диапазон, низкое энергопотребление, автономность и эффективность потоков в дыхательной и кровеносной системах конкретных насекомых для революции в проектировании микрофлюидных систем».

В отличие от млекопитающих, насекомые дышат, транспортируя кислород непосредственно к тканям без помощи кровеносной системы. Их сложная воздухоносная трахейная сеть доставляет кислород из окружающей среды прямо к тканям и выводит углекислый газ.

В предыдущих исследованиях Соча и коллеги, используя синхротронное рентгеновское изображение, визуализировали внутренние микроструктуры живых насекомых. Ключевым открытием стала новая форма конвективного дыхания — «ритмическая трахейная компрессия», при которой части трахейной системы животного схлопываются и снова наполняются воздухом с частотой 10–20 раз в минуту.

Хотя точная причина этого процесса неизвестна, возможно, «компрессии направляют поток воздуха к определённым внутренним тканям (например, к голове или ногам) и поддерживают высокое парциальное давление кислорода для внезапных быстрых движений (побег) или для регуляции кислот и оснований в организме», — пояснил Соча.

Это знание заставляет команду задуматься, может ли насосная система трахей насекомых стать био-вдохновением для новых инженерных систем, таких как имплантируемые микроустройства и решения в тканевой инженерии.

Кровеносная система насекомых также кардинально отличается от млекопитающих. Она состоит из простой трубки — спинного сосуда, идущего вдоль тела, который выталкивает кровь (гемолимфу) в открытую полость тела. Насекомые качают кровь через сердце к голове, а у некоторых видов поток может меняться на обратный. В этой открытой системе кровь, покинув сердце или аорту, омывает ткани и органы и каким-то образом возвращается к сердцу.

Для исследования выбраны три вида:

• Жук-жужелица — демонстрирует ритмическую трахейную компрессию.
• Саранча — имеет крупное сердце, что облегчает визуализацию.
• Шелкопряд (личинки, куколки и взрослые особи) — интересен тем, что личинки и куколки, по-видимому, доставляют газы в основном за счёт диффузии, тогда как у взрослых особей есть воздушные мешки и наблюдается брюшная прокачка и конвективная вентиляция.

Грант NSF включает образовательный компонент. Соча, уже появлявшийся на каналах National Geographic и History, будет работать с учителями начальных и средних школ для разработки новых уроков, интегрирующих биологию и инженерию.

Источник: Virginia Tech