Znanstveniki so s 3D tiskom prvič uspeli ustvariti sintetične mehke površine s teksturami, ki so podobne jeziku in ki odpirajo nove možnosti za preizkušanje lastnosti predelave hrane v ustih, prehranskih tehnologij, farmacevtskih izdelkov in terapij za suha usta.
Britanski znanstveniki, ki jih je vodila Univerza v Leedsu v sodelovanju z Univerzo v Edinburgu, so uspeli dejansko izdelati zelo dovršeno površinsko zasnovo človeškega jezika in dokazali, da njihova natisnjena sintetična silikonska struktura posnema topologijo, elastičnost in sposobnost navlaženja površine jezika.
Ti dejavniki so pomembni za interakcijo hrane ali sline z jezikom, kar lahko vpliva na občutek v ustih, požiranje, govor, prehranjevanje in kakovost življenja.
Biomimetični jezik bo razvijalcem pomagal pri preizkušanju novo zasnovanih izdelkov in pospeševanju novih razvojnih procesov, ne da bi bili v zgodnjih fazah potrebni preskusi na ljudeh, saj so tovrstne raziskave pogosto zelo drage in dolgotrajne.
Zlasti od začetka pandemije COVID-19 medsebojni kontakti predstavljajo velike izzive pri izvajanju takšnih senzoričnih poskusov in potrošniških testov. Biomimetični jezik bo neizmerno koristen pri povečanju produktivnosti v razvoju in zmanjšanje odvisnosti proizvajalcev od preskusov na ljudeh v zgodnjih fazah njihovega razvoja.
Biomimetični jezik bi poleg tega v prihodnosti lahko odprl možnosti za celo vrsto aplikacij za boj proti ponarejanju hrane in drugih peroralno zaužitih farmacevtskih izdelkov glede na to, ali teksturni atributi ustrezajo lastnostim, ki naj bi jih imeli in bi s tem lahko preprečili veliko gospodarsko škodo.
Kompleksna narava biološke površine jezika predstavlja izzive pri umetnem obnavljanju tkiva in ustvarja veliko oviro za razvoj učinkovitih dolgotrajnih zdravljenj ali terapij pri sindromu suhih ust, zaradi katerega trpi približno 10% celotne človeške populacije in kar 30% starostnikov.
Vodja študije dr. Efren Andablo-Reyes je to raziskavo izvedel v času, ko je bil na podoktorskem študiju na šoli za znanost prehrane in živila v Leedsu. Dejal je: “Ponovno ustvarjanje površine povprečnega človeškega jezika prinaša svojevrstne arhitekturne izzive. Na stotine majhnih brstom podobnih struktur, imenovanih papile, dajejo jeziku značilno hrapavo strukturo, ki iz mehanskega vidika v kombinaciji z mehko naravo tkiva ustvari zapleteno pokrajino.«
“Osredotočili smo se na sprednji hrbtni del jezika, kjer nekatere od teh papil vsebujejo receptorje za okus, medtem ko veliko papil nima takih receptorjev. Obe vrsti papil igrata ključno vlogo pri zagotavljanju pravega mehanskega trenja, ki pomaga pri predelavi hrane v ustih skupaj s primerno količino sline, ki zagotavlja prijeten občutek v ustih in zadostno mazanje za požiranje.
“Te mehansko pomembne značilnosti človeškega jezika smo želeli ustvariti na neki površini, ki bi bila enostavna za uporabo v laboratoriju in s katero bi dobili enake pogoje, kot so dejansko v ustih pri uživanju hrane.”
Študija, ki je združila edinstveno znanje s področja koloidne znanosti hrane, fizike mehkih snovi, zobozdravstva, strojništva in računalništva, je objavljena v reviji ACS Applied Materials & Interfaces.
Ekipa je petnajstim odraslim osebam vzela silikonske odtise z njihove površine jezika. Odtisi so bili 3D optično skenirani za preslikavo dimenzij, gostote in povprečne hrapavosti jezičkov papil. Ugotovljeno je bilo, da je tekstura človeškega jezika razporejena naključno.
Skupina je z računalniškimi simulacijami in matematičnim modeliranjem ustvarila 3-D natisnjeno umetno površino, ki deluje kot kalup in ki vsebuje vdolbinice z obliko in dimenzijami različnih papilov, naključno porazdeljenih po površini s pravilno gostoto. Ta je bila oblikovana kot replika z elastomeri, optimiziranimi glede mehkobe in sposobnosti navlaženja.
Soavtor z Univerze v Edinburgu, Rik Sarkar s šole za informatiko je dejal: “Zdi se, da ima naključnost pri porazdelitvi papilov pomembno senzorično vlogo jezika.
” Za merjenje mehanosensiranja smo določili povsem nov koncept, imenovan verjetnost trka, ki bo imel na tem področju velik vpliv. V prihodnosti bomo s kombinacijo strojnega učenja in računske topologije ustvarili modele jezikov različnih zdravih in obolelih posameznikov za obravnavo različnih ustnih pogojev.”
Nato so umetno površino natisnili s 3D s tehnologijo digitalne obdelave svetlobe, ki jo imajo na univerzi za strojništvo v Leedsu.
Skupina je izvedla vrsto poskusov z različnimi zapletenimi tekočinami, da bi zagotovila sposobnost navlaženja tiskane površine, raziskali, kako tekočina ohranja stik s površino in se širi po njej in ugotovili, da je mazanje enako kot pri človeškem jeziku.
Doktor Michael Bryant, soavtor z univerze za strojništvo v Leedsu je dejal: “Uporaba bio-triboloških načel, preučevanje trenja in mazanja pri ustvarjanju te jeziku podobne površine je pomemben korak naprej na tem področju.
“Sposobnost izdelave natančnih kopij površin jezika s podobno strukturo in mehanskimi lastnostmi bo pripomogla k racionalizaciji raziskav in razvoja ustne nege, prehrambenih izdelkov in terapevtskih tehnologij.”
Glavna preiskovalka Anwesha Sarkar, profesorica koloidov in površin v Leedsu, je dejala: “Natančna preslikava in umetna izdelava površine jezikov in kombiniranje tega z materialom, ki se približuje elastičnosti človeškega jezika, ni bila majhna naloga. Z izkoriščanjem strokovnega znanja iz več STEM disciplin smo dokazali izjemno sposobnost 3D-tiskane silikonske površine, ki posnema mehanske lastnosti človeškega jezika.
“Verjamemo, da je izdelava sintetične površine z ustreznimi lastnostmi, ki posnema zapletene arhitekturne značilnosti in, kar je še bolj pomembno, sposobnost mazanja človeškega jezika, najpomembnejša za kvantitativno razumevanje interakcije tekočin v ustni votlini,« je dodala.
“Ta biomimetična površina jezika bi lahko služila tudi kot edinstveno mehansko orodje za pomoč pri odkrivanju prehrambenih ponaredkov in ponaredkov dragih pijač na osnovi teksturnih lastnosti, kar je globalna težnja in lahko pomaga zagotoviti varnost živil.«
“Na koncu upamo, da je umetna površina, ki smo jo zasnovali, lahko pomembna pri splošnem razumevanju, kako biomehanika jezika podpira temelj človeškega prehranjevanja in govora.«
Novica iz Univerze v Leedsu
Vir:
https://phys.org/news/2020-10-d-biomimetic-tongue-surface.html
