Không còn nghi ngờ gì nữa, tập thể dục rất tốt cho cơ thể, bao gồm cả việc tăng cường và săn chắc cơ bắp. Nhưng chính xác thì tập thể dục làm được điều này như thế nào? Khi chúng ta chạy, nâng và giãn cơ, cơ của chúng ta sẽ cảm nhận được các tín hiệu hóa học từ các tế bào xung quanh, cũng như các lực cơ học do va chạm với mô. Một số nhà sinh lý học thắc mắc liệu chất kích thích hóa học tự nhiên của cơ thể, lực vật lý của chuyển động lặp đi lặp lại hay sự kết hợp của cả hai khiến cơ bắp của chúng ta phát triển. Câu trả lời có thể là chìa khóa để tìm ra phương pháp điều trị giúp mọi người phục hồi sau tổn thương cơ và các bệnh thoái hóa thần kinh.
Các kỹ sư của MIT đã thiết kế một tấm thảm tập thể dục di động có thể giúp các nhà khoa học tập trung vào tác động cơ học của việc tập thể dục ở cấp độ vi mô. Kết quả nghiên cứu cho thấy tập thể dục thường xuyên giúp các sợi cơ phát triển theo hướng tương tự. Tín dụng hình ảnh: Ella Marushchenko
Giờ đây, các kỹ sư của MIT đã thiết kế một tấm thảm tập thể dục di động có thể giúp các nhà khoa học tập trung vào các tác động cơ học thuần túy của việc tập thể dục ở cấp độ vi mô.
Thiết kế mới này không khác nhiều so với thảm tập yoga: cả hai đều được làm bằng cao su và có độ linh hoạt nhất định. Trong trường hợp tấm thảm của MIT, nó được làm từ hydrogel, một chất liệu mềm giống như thạch có kích thước bằng một phần tư với các hạt từ tính được nhúng vào.
Để kích hoạt khả năng cơ học của gel, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một nam châm bên ngoài bên dưới miếng đệm để di chuyển các vi hạt nhúng qua lại, khiến gel rung chuyển như một miếng đệm rung. Chúng kiểm soát tần số rung để mô phỏng lực tác động lên cơ trong quá trình chuyển động thực tế.
Tiếp theo, họ nuôi một thảm tế bào cơ trên bề mặt gel và kích hoạt chuyển động của nam châm. Sau đó, họ nghiên cứu cách các tế bào phản ứng với "chuyển động" khi chịu rung động từ tính.
Kết quả nghiên cứu cho thấy tập thể dục cơ học thường xuyên có thể giúp các sợi cơ phát triển theo cùng một hướng. Những sợi "tập thể dục" được sắp xếp gọn gàng này cũng có thể hoạt động hoặc co lại đồng bộ. Những phát hiện này cho thấy các nhà khoa học có thể sử dụng gel tập thể dục mới để định hình cách phát triển của các sợi cơ. Nhóm nghiên cứu có kế hoạch sử dụng thiết bị mới của họ để mô hình hóa các lát mỏng cơ bắp khỏe mạnh, có chức năng để sử dụng trong chế tạo robot mềm và sửa chữa các mô bị bệnh.
Ritu Raman, Giáo sư Thiết kế Kỹ thuật của Britt và Alex Dabeloff tại MIT, cho biết: "Chúng tôi hy vọng sử dụng nền tảng mới này để nghiên cứu xem liệu kích thích cơ học có thể giúp hướng dẫn tái tạo cơ sau chấn thương hay giảm thiểu tác động của lão hóa hay không. Lực cơ học đóng một vai trò rất quan trọng trong cơ thể và môi trường sống của chúng ta. Bây giờ chúng tôi có một công cụ nghiên cứu."
Cô và các đồng nghiệp gần đây đã công bố phát hiện của mình trên tạp chí Thiết bị.
Tại MIT, phòng thí nghiệm của Raman thiết kế các vật liệu sống thích ứng cho y học và robot. Nhóm đang thiết kế các hệ thống thần kinh cơ chức năng với mục tiêu khôi phục khả năng vận động cho những người bị rối loạn vận động và cung cấp năng lượng cho các robot mềm, thích nghi. Để hiểu rõ hơn về cơ tự nhiên và các lực điều khiển chức năng của chúng, nhóm của cô đang nghiên cứu cách các mô phản ứng ở cấp độ tế bào với các lực khác nhau như tập thể dục.
Raman cho biết: "Ở đây, chúng tôi muốn tìm cách tách hai yếu tố chính của tập thể dục - hóa học và cơ học - và xem cách cơ bắp phản ứng hoàn toàn với lực chuyển động cơ học."
Nhóm nghiên cứu đã tìm cách khiến các tế bào cơ chịu lực cơ học thường xuyên và lặp đi lặp lại mà không gây ra tổn thương vật lý cho chúng trong quá trình đó. Cuối cùng họ đã chọn nam châm như một phương pháp an toàn, không phá hủy để tạo ra lực cơ học.
Đối với nguyên mẫu của mình, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên trộn các hạt nano từ tính có bán trên thị trường với dung dịch silicon cao su để tạo ra các thanh từ tính có kích thước micron nhỏ. Họ đông đặc hỗn hợp thành các tấm và sau đó cắt các tấm thành những dải rất mỏng. Họ kẹp bốn thanh từ tính vào giữa hai lớp hydrogel, một vật liệu thường được sử dụng để nuôi cấy tế bào cơ, với mỗi thanh cách nhau một chút. Tấm thảm nhúng nam châm thu được có kích thước bằng một phần tư.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã nuôi cấy các tế bào cơ hình "sỏi" trên bề mặt tấm thảm. Mỗi tế bào bắt đầu có hình tròn, dài dần theo thời gian và hợp nhất với các tế bào lân cận khác để tạo thành các sợi.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã đặt một nam châm bên ngoài trên rãnh dưới miếng gel và lập trình cho nam châm di chuyển qua lại. Các nam châm nhúng di chuyển, làm cho gel dao động và tạo ra lực tương tự như lực của các tế bào thực sự chuyển động. Nhóm nghiên cứu đã cho các tế bào "bài tập" cơ học 30 phút mỗi ngày trong 10 ngày. Để kiểm soát, họ nuôi cấy tế bào trên cùng một tấm thảm nhưng cho phép chúng phát triển mà không cần di chuyển.
Raman cho biết: "Sau đó, chúng tôi phóng to và chụp ảnh gel và phát hiện ra rằng những tế bào được kích thích cơ học này trông rất khác so với các tế bào đối chứng."
Các thí nghiệm của nhóm phát hiện ra rằng các tế bào cơ thường xuyên tiếp xúc với chuyển động cơ học sẽ phát triển dài hơn các tế bào không chuyển động và các tế bào không chuyển động có xu hướng giữ nguyên hình tròn. Quan trọng hơn, các sợi phát triển từ các tế bào đã “di chuyển” được sắp xếp theo cùng một hướng, trong khi các tế bào không di chuyển thì giống như một đống cỏ khô lộn xộn, với các sợi sắp xếp không đều.
Các tế bào cơ được nhóm nghiên cứu sử dụng trong nghiên cứu này được biến đổi gen để co lại khi tiếp xúc với ánh sáng xanh. Thông thường, các tế bào cơ trong cơ thể con người co lại để đáp ứng với các xung điện từ dây thần kinh. Tuy nhiên, kích thích điện của tế bào cơ trong phòng thí nghiệm có thể gây hại cho chúng, vì vậy nhóm nghiên cứu đã chọn thao tác di truyền để tế bào co lại để đáp ứng với kích thích không xâm lấn, trong trường hợp này là ánh sáng xanh.
Raman giải thích: "Khi chúng tôi chiếu ánh sáng lên cơ, bạn có thể thấy các tế bào điều khiển đang đập, nhưng một số sợi đánh theo cách này và một số đánh theo cách khác, tạo ra một cơn co giật tổng thể rất không đồng bộ. Trong các sợi được sắp xếp gọn gàng, chúng đều kéo và đập theo cùng một hướng cùng một lúc."
Gel tập thể dục mới mà cô đặt tên là MagMA (Magnetic Matrix Actuated), có thể phục vụ như một cách nhanh chóng, không xâm lấn để tạo hình các sợi cơ và nghiên cứu cách chúng phản ứng với việc tập thể dục. Cô cũng có kế hoạch phát triển các loại tế bào khác trên gel để nghiên cứu cách chúng phản ứng với việc tập thể dục thường xuyên.