Mit einem Hauch von „Spider“.

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Nov 08, 2023

Mit einem Hauch von „Spider“.

21. April 2023 Von Dina Weinstein Über Traumarbeit und Teamarbeit: Im Rahmen der Forschungswochen 2023 stellt diese Reihe Studierende und ihre Dozenten vor, während sie über ihre Forschung und andere Themen sprechen

21. April 2023

Von Dina Weinstein

Über Traumarbeit und Teamarbeit: Im Rahmen der Forschungswochen 2023 stellt diese Reihe Studierende und ihre Dozenten vor, während sie über ihre Forschung sprechen und darüber, was sie dabei voneinander gelernt haben.

Caleb Wells, Absolvent des Virginia Commonwealth University College of Engineering, widmet Stunden einem mikroskopischen Projekt, das eine sehr große Anwendung hat: Tissue Engineering.

Denken Sie an das „Spider-Man“-Franchise, in dem der fehlende Arm einer Figur mithilfe von Eidechsen-DNA nachgewachsen wird. Tissue Engineering ist ein etwas ähnliches Konzept und wird zur Herstellung von Gefäßtransplantaten für Koronararterien-Bypass-Operationen verwendet. Wells untersucht, wie sich die dabei verwendeten winzigen Gerüste zersetzen.

„Wir legen Zellen in das Gerüst und die Zellen bauen sich um das Gerüst herum auf. „Genau wie am Ende eines Bauprojekts reißt man das Gerüst ab“, sagte Wells, ein Student der Fakultät für Maschinenbau und Nukleartechnik. „Dieses Gerüst wird im menschlichen Körper biologisch abgebaut. Irgendwann sind also nur noch die eigenen Zellen des Wirts übrig. Es besteht also keine Chance auf eine Ablehnung oder ähnliches. Es ist ein perfekter Ersatz.“

Fasern aus einem Polymer namens Polycaprolacton bilden das Gerüst, und Wells konzentriert sich auf die Eigenschaften dieser Fasern. Um die Fasern zu testen und ein Grundmaß festzulegen, verwendet er ein Rasterelektronenmikroskop mit 3.000-facher Vergrößerung. Die winzigen Fasern haben einen Durchmesser von etwa 1 Mikrometer.

Um das Gerüst herzustellen, verteilt ein als Elektrospinnen bekannter Prozess das Polymer in Lösung. „Auf dem Gerüst sind die Fasern in alle Richtungen ausgerichtet, so als würde man Zuckerwatte um eine Pappröhre drehen“, sagte Wells. „Was in gewisser Weise vorteilhaft sein kann, aber je nachdem, welche mechanischen Eigenschaften Sie suchen, auch nicht so vorteilhaft.“

Wells arbeitet unter der Leitung von Joao Silva Soares, Ph.D., in seinem Engineered Tissue Multiscale Mechanics & Modeling (ETM3) Laboratory. Ziel ist die Entwicklung hochintegrativer experimentell-rechnerischer Ansätze für das kardiovaskuläre Tissue Engineering.

„Das Polymergerüst muss irgendwann abgebaut werden, um vollständig durch das neue Gewebe ersetzt zu werden, das man konstruiert hat“, sagte Soares. „Wir versuchen zunächst zu verstehen, wie wir das Gewebe im Bioreaktor besser manipulieren können, um dann eine bessere Integration im Körper zu erreichen.“

Wells lernte Soares kennen, als er im Sommer 2021 an der Vorlesung „Mechanics of Deformables“ des Professors teilnahm, die ihm einen Einblick in die Art und Weise gab, wie sich Materialien und Formen mit ihren Kräften biegen und verformen.

Wells arbeitet auch an der Geräteentwicklung, um Materialprüfungen mit einachsigen und zweiachsigen mechanischen Zugprüfgeräten durchzuführen. „Dies hilft uns, anhand des Elastizitätsmoduls nach Young zu bestimmen, wie sich die Fasern, die wir unter dem Mikroskop betrachtet haben, im Laufe der Zeit auswirken“, sagte er. „Wenn ich in jede Richtung ziehe, kann ich sehen, wie sich die Fasern in jeder Richtung auswirken. Ich kann mit Programmierung und elektrischem Design experimentieren und bereits vorhandene Maschinen bedienen. Jetzt kann ich Maschinen bauen und gleichzeitig am Backend arbeiten.“

Hier tauschen Schüler und Mentor ihre Gedanken darüber aus, was sie gemeinsam gelernt haben.

Was hat Sie an diesem Projekt gereizt?

Was mich faszinierte, war, wie ich Maschinenbau auf biomedizinische Arbeiten anwenden kann. Meine Familie und meine Freunde haben mir aufgrund meiner Persönlichkeit immer gesagt, dass ich mich mit biomedizinischen Themen befassen würde, weil ich gerne Menschen helfe. In diesem Labor arbeite ich noch nicht direkt an etwas, das direkt in den Körper eines Menschen gelangt. Ich kann an der mechanischen Seite dieses Aspekts arbeiten. Im Moment analysiere ich die mechanischen und Materialeigenschaften dieser Gerüste. Ich spiele also eine Rolle in einem größeren Projekt, das dann zur Lösung eines Problems im menschlichen Körper beiträgt. Ein Teil von etwas zu sein, das einen Unterschied machen kann, hat mich wirklich begeistert.

Was haben Sie von dieser Erfahrung mitgenommen?

Eines der großartigen Dinge an [experimentellen] Forschungslaboren ist, dass man das, was man im Unterricht lernt, auf die verschiedenen Projekte anwenden kann. Das war mit diesem Labor sehr einfach, weil ich gerade Mechanik verformbarer Stoffe und Materialwissenschaften belegt hatte, die direkt in meine Arbeit mit Materialtests einfließen. Youngs Elastizitätsmodul war ein Begriff, den ich erst ein oder zwei Semester zuvor gelernt hatte, sodass ich meine theoretischen Kursarbeiten direkt auf Erfahrungen aus der Praxis anwendete, was wirklich eine konkrete Grundlage lieferte. Viele Dinge liefen viel einfacher, nachdem ich das geschafft hatte.

Was'Gibt es eine Lektion, die Sie von Dr. Soares gelernt haben?

Was ich immer als schlechte Ergebnisse empfand oder als Ergebnisse, die meine Hypothese nicht bestätigten, brachte mich immer in Verlegenheit und gab mir das Gefühl, das ganze Experiment verschwendet zu haben. Aber in meinem ersten Sommer als Stipendiat des Undergraduate Research Opportunities Program führten wir Langzeitexperimente durch, die jeweils Monate dauerten. Als diese Ergebnisse eintrafen, als ich das Gefühl hatte, dass es sich um „schlechte Ergebnisse“ handelte und ich die meiste Zeit verschwendet hatte – aber ich lernte, dass es laut Dr. Soares keine „schlechten Ergebnisse“ gibt. Sie beweisen Ihre Hypothese möglicherweise nicht und beantworten möglicherweise nicht einmal die Frage, auf der diese Hypothese basiert, aber sie werfen weitere Fragen auf, die Ihnen dabei helfen, mehr Experimente zu entwerfen, die Ihnen letztendlich zu den Antworten führen, nach denen Sie suchen. Manchmal beantwortet man völlig unabhängige Fragen, die dennoch für die breite Öffentlichkeit oder für die wissenschaftliche Forschung von Nutzen sind. Motiviert zu bleiben, wenn die Ergebnisse nicht meinen Erwartungen entsprechen, war eine der größten Lektionen, die ich gelernt habe.

Warum ist diese Forschung wichtig? Für die Entwicklung besser biologisch abbaubarer Implantate ist es wichtig zu verstehen, wie abbaubare Polymere im Laufe der Zeit abgebaut und absorbiert werden. Die Absorption in einem lebenden Körper ist ein sehr schwierig vorherzusagendes Problem, daher sind zahlreiche Experimente und Prototypen erforderlich. Die Durchführung einfacherer Experimente im Labor unter „einfacheren“ Bedingungen wird Erkenntnisse darüber liefern, wie sich Theorien entwickeln lassen, die das Verhalten dieser Materialien besser beschreiben. Unser besonderes Interesse gilt den Tissue-Engineering-Scaffolds. Man möchte, dass das Gerüst gleichzeitig verschwindet, während die Zellen selbst die extrazelluläre Matrix produzieren. Darüber hinaus ist es wichtig zu wissen, wie die mechanische Umgebung (dh die Belastungen und Verformungen, denen sie ausgesetzt sind) zur Geschwindigkeit der Verschlechterung des Gerüsts beiträgt.Wie hat Caleb dazu beigetragen, das Projekt voranzutreiben? Caleb hat dieses Projekt in den letzten Jahren im Alleingang geleitet und damit die Arbeit von Emily Clement (Studentin der Biomedizintechnik, die im Frühjahr 2021 ihren Abschluss machte) fortgeführt. Er hat mehrere Experimente mit den Abbaukammern durchgeführt, die Emily und ich entworfen und gebaut haben. Darüber hinaus hat er große Fortschritte bei der Verbesserung unserer Elektrospinning-Anlagen gemacht, die Bundesarbeitskräfte bei der Herstellung der Gerüste geleitet und auch mehrere andere Studenten bei der Durchführung mechanischer Tests der Gerüste betreut.Was'Gibt es eine Lektion, die Sie von Caleb gelernt haben? Von meinen Studenten wie Caleb lerne ich die neuen Verhaltensweisen junger Menschen heutzutage. Ich habe das Glück, ständig mit jungen Menschen zusammen zu sein. Sie haben Energie. Sie sehen die Welt auf eine neue Art und Weise, die wir nicht sehen. Caleb wird als Doktorand beginnen. Student im Herbst, und es ist wirklich schön, die Möglichkeit zu haben, VCU-Studenten als Doktoranden zu rekrutieren. Er hat bereits so viel über unsere spezifischen Methoden und Forschungen gelernt und wird im nächsten Herbst voll durchstarten.

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Caleb WellsWas hat Sie an diesem Projekt gereizt?Was haben Sie von dieser Erfahrung mitgenommen?Was'Gibt es eine Lektion, die Sie von Dr. Soares gelernt haben?João Silva SoaresWarum ist diese Forschung wichtig?Wie hat Caleb dazu beigetragen, das Projekt voranzutreiben?Was'Gibt es eine Lektion, die Sie von Caleb gelernt haben?