image: The top image shows the forces generated by an external magnetic field on particles embedded in the material. These interactions are simulated by a computational model that is able to guide the manufacturing and experimental process (middle image). Finally, the generated forces are transmitted to the cells cultured on the smart material (bottom image). This action on the cells will lead to changes or activation of their biological functions, such as proliferation, migration or orientation, among others. view more
Credit: UC3M
“我们在实验室中重现了大脑受到冲击时发生的局部变形，实时分析细胞发生的变化以及其如何受损。此外，我们验证了开发的这项系统有将力传递给细胞并作用于它们的能力。”UC3M 连续介质力学和结构理论系负责人， 4D-BIOMAP 项目研究员 Daniel García González解释说明。
该项目旨在通过新的虚拟辅助实验系统，对复制复杂生物过程进行研究，对机械环境进行非侵入性和实时控制。生物细胞和组织不断受到来自其周围基质的机械应力，因此分析和控制影响其行为的力将是“机械生物学”世界的里程碑。
4D-BIOMAP 开发的系统是基于使用模拟生物材料刚性特点的极软磁活性聚合物。由于在实验过程中施加于生物基质的机械变化可能是可逆的，根据磁活性材料的特性，研究人员能够对其进行毫无阻碍的控制。
“我们应用这些基础科学，通过计算模型，设计了一个智能驱动系统，该系统与 ERC 开发的显微镜相结合，使我们能够原位看清细胞反应。通过这种方式，我们加强了用智能磁活性材料刺激细胞系统的完整框架。”Daniel García González表示。该框架为理解动态变形期间发生的复杂“机械生物学”过程铺平了道路：如外伤性脑损伤、病理性皮肤瘢痕的形成或心肌梗死期间心脏的纤维化重塑。
该项目的研究成果最近发布于期刊《今日应用材料》（Applied Materials Today）。参与研究并撰写论文的有来自布里斯托尔的西英格兰大学 (UWE)、伦敦帝国理工学院和马德里的 Gregorio Marañon医学研究所的研究人员。参与该项目的来自UC3M的研究人员有：连续介质力学和结构理论系的教员Miguel Ángel Moreno，Jorge González，Clara Gomez和 Maria Luisa López以及生物工程和航空航天工程系的教员Arrate Muñoz 和 Diego Velasco。
4D-BIOMAP（基于磁活性聚合物 4D 打印的生物力学刺激Biomechanical Stimulation based on 4D Printed Magneto-Active Polymer；）是一个由欧洲研究委员会（European Research Council）通过欧盟2020地平线 (GA 947723)创新框架计划下的一个为期五年的项目，启动资金为150万欧元。该研究项目涉及固体力学、磁学和生物工程等跨学科多学科领域知识，并结合了计算、实验和理论的综合研究方法。
Journal
Applied Materials Today
Article Title
Magneto-mechanical system to reproduce and quantify complex strain patterns in biological materials
Article Publication Date
1-Jun-2022