由蚯蚓肌肉驅(qū)動(dòng)的類似于機(jī)器人的微芯片閥門

日本RIKEN生物系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究中心(BDR)的科學(xué)家開發(fā)出了第一個(gè)由活細(xì)胞驅(qū)動(dòng)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(jī)電系統(tǒng)(MEMS)與生物材料結(jié)合起來。Bio-MEMS有許多應(yīng)用，從改進(jìn)的藥物輸送和光學(xué)和電化學(xué)傳感器到片上器官。來自RIKEN BDR和東京電氣大學(xué)的研究人員團(tuán)隊(duì)一直致力于開發(fā)一種由真實(shí)肌肉驅(qū)動(dòng)的生物MEMS，可用于外科植入物?；谄淦衔⒈迷O(shè)計(jì)，這項(xiàng)新研究是片上肌肉驅(qū)動(dòng)閥的概念驗(yàn)證。

在機(jī)械學(xué)中，致動(dòng)器是機(jī)器的一部分，其通過使機(jī)構(gòu)移動(dòng)來控制機(jī)構(gòu)，例如閥門的打開和關(guān)閉。致動(dòng)器需要電源和控制信號(hào)，這些信號(hào)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(diǎn)是它們可以像在生物體中一樣以相同的方式供電：化學(xué)。對(duì)于肌肉，收縮的信號(hào)是由神經(jīng)元遞送的分子乙酰膽堿 - 能量來源是肌肉細(xì)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(xué)驅(qū)動(dòng)閥不同，我們的肌肉驅(qū)動(dòng)閥門運(yùn)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(yīng)用。”

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

該團(tuán)隊(duì)最初確定，當(dāng)用極少量的乙酰膽堿刺激時(shí)，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?cè)? cm x 2 cm的微芯片上構(gòu)建了一個(gè)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(cè)試該系統(tǒng)，他們使用顯微鏡監(jiān)測(cè)液體中流過微通道的熒光標(biāo)記的微粒。當(dāng)應(yīng)用乙酰膽堿時(shí)，肌肉收縮。將所產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)換成桿，將其向下推以關(guān)閉閥門，這成功地阻止了液體的流動(dòng)。當(dāng)洗去乙酰膽堿時(shí)，肌肉松弛，閥門重新打開，液體再次流動(dòng)。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了片上肌肉驅(qū)動(dòng)的閥門是可能的，我們可以進(jìn)行改進(jìn)，使其變得實(shí)用，”田中說。“一種選擇是使用培養(yǎng)的肌肉細(xì)胞。這可以實(shí)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(shí)的肌肉床單。