由蚯蚓肌肉驅動的類似于機器人的微芯片閥門

日本RIKEN生物系統(tǒng)動力學研究中心(BDR)的科學家開發(fā)出了第一個由活細胞驅動的微芯片閥門。蚯蚓肌肉組織允許可??以持續(xù)數(shù)分鐘的高收縮力，并且與電控閥不同，不需要任何外部電源，例如電池。

幾十年來，研究人員一直在嘗試將微機電系統(tǒng)(MEMS)與生物材料結合起來。Bio-MEMS有許多應用，從改進的藥物輸送和光學和電化學傳感器到片上器官。來自RIKEN BDR和東京電氣大學的研究人員團隊一直致力于開發(fā)一種由真實肌肉驅動的生物MEMS，可用于外科植入物?；谄淦衔⒈迷O計，這項新研究是片上肌肉驅動閥的概念驗證。

在機械學中，致動器是機器的一部分，其通過使機構移動來控制機構，例如閥門的打開和關閉。致動器需要電源和控制信號，這些信號通常是電流或某種流體壓力。在bio-MEM系統(tǒng)中使用肌肉作為執(zhí)行器的主要優(yōu)點是它們可以像在生物體中一樣以相同的方式供電：化學。對于肌肉，收縮的信號是由神經(jīng)元遞送的分子乙酰膽堿 - 能量來源是肌肉細胞內(nèi)存在的三磷酸腺苷(ATP)。

“我們的生物MEMS不僅可以在沒有外部電源的情況下工作，而且與其他由酸控制的化學驅動閥不同，我們的肌肉驅動閥門運行在生物體中天然豐富的分子上，”第一作者Yo Tanaka說。 RIKEN BDR。“這使它具有生物友好性，特別適用于難以或不建議使用電力的醫(yī)療應用。”

視頻顯示熒光標記的微粒通過芯片上的微通道流動。在10秒時，施加乙酰膽堿并且閥門開始關閉。此時流量由于壓力而反轉，并且完全停止47秒。圖片來源：RIKEN

該團隊最初確定，當用極少量的乙酰膽堿刺激時，一片1厘米×3厘米的小蚯蚓肌片在2分鐘內(nèi)可產(chǎn)生約1.5毫牛頓的平均收縮力。利用這些數(shù)據(jù)，他們在2 cm x 2 cm的微芯片上構建了一個微流體通道和閥門，可以通過蚯蚓肌的收縮/松弛來控制。

為了測試該系統(tǒng)，他們使用顯微鏡監(jiān)測液體中流過微通道的熒光標記的微粒。當應用乙酰膽堿時，肌肉收縮。將所產(chǎn)生的力轉換成桿，將其向下推以關閉閥門，這成功地阻止了液體的流動。當洗去乙酰膽堿時，肌肉松弛，閥門重新打開，液體再次流動。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了片上肌肉驅動的閥門是可能的，我們可以進行改進，使其變得實用，”田中說。“一種選擇是使用培養(yǎng)的肌肉細胞。這可以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，更好的控制和形狀方面的靈活性。但是，我們將不得不考慮與這種方式相比可以產(chǎn)生的力量減少。真實的肌肉床單。