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日本RIKEN生物系統(tǒng)動力學(xué)研究中心(BDR)的科學(xué)家開發(fā)出了第一個由活細(xì)胞驅(qū)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(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)隊一直致力于開發(fā)一種由真實肌肉驅(qū)動的生物MEMS,可用于外科植入物?;谄淦衔⒈迷O(shè)計,這項新研究是片上肌肉驅(qū)動閥的概念驗證。
在機(jī)械學(xué)中,致動器是機(jī)器的一部分,其通過使機(jī)構(gòu)移動來控制機(jī)構(gòu),例如閥門的打開和關(guān)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(xué)。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(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)動閥不同,我們的肌肉驅(qū)動閥門運(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。在10秒時,施加乙酰膽堿并且閥門開始關(guān)閉。此時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)隊最初確定,當(dāng)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(gòu)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(biāo)記的微粒。當(dāng)應(yīng)用乙酰膽堿時,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。當(dāng)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(qū)動的閥門是可能的,我們可以進(jìn)行改進(jìn),使其變得實用,”田中說。“一種選擇是使用培養(yǎng)的肌肉細(xì)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。
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