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国际动态 |将3D打印水凝胶骨架与大鼠脊髓结合,美国伊利诺伊大学做出生物机器人
发布时间:2020.05.13    新闻来源:南极熊   浏览次数:

将3D打印水凝胶骨架与大鼠脊髓结合,美国伊利诺伊大学做出生物机器人

       2020年5月12日,南极熊从外媒获悉,来自美国伊利诺伊大学的研究人员成功地将3D打印水凝胶骨架与大鼠脊髓融合在一起,创造出了一个功能性的 "自旋机器人"。

        新颖的生物机器人的动力方法应用谷氨酸,一种由大脑中的神经细胞释放的神经递质,作为刺激,驱动大鼠脊柱中的模式化肌肉收缩,这反过来又使机器人移动。

       这种方法不仅可以驱动运动,而且自旋机器人似乎模仿了外周神经系统(PNS)的部分功能,这可能有助于拓宽未来设计的潜力,将脊柱感觉输入作为控制机制。

△SEM图像显示了毗连胆碱能神经元和突触后乙酰胆碱受体的证据,照片来自伊利诺伊大学

新颖的软机器人制造方法

        以往将大鼠纳入生物机器人的尝试,都是利用大鼠心肌细胞创造的大鼠心肌的收缩为动力。例如,2007年,来自首尔国立大学的研究人员创造了微型螃蟹状机器人,由大鼠心肌组织提供动力。这些机器人可以发挥作用,但肌肉的收缩无法直接控制,它需要不断的营养供应才能存活,只能维持几个星期。

       因此,伊利诺伊大学的研究人员选择用骨骼肌来代替机器人的动力,因为它的细胞更容易被改造,它提供了更广泛的潜在行为。这种方法通常需要外部刺激,如电场、光遗传学或化学刺激等来驱动运动,但研究人员用神经信息传递来控制肌肉的收缩,而是用大鼠的脊髓来代替。

       一只大鼠的脊髓大约含有36×106个细胞,其中超过10×106个是神经元,因此是实验的理想选择。研究人员所使用的脊髓是生物体骨架长度的四倍以上,研究小组被迫从第一和第二腰椎内分离并培养出一段脊柱。

△从脊髓和C2C12肌细胞中构建自旋机器人的方法,照片来自伊利诺伊大学

使用3D打印构建自旋机器人的方法

       为了构建这个自旋机器人,3D打印技术被用于创建一个由两个柱子组成的聚丙烯酸水凝胶骨架,这些柱子由一个柔性光束连接而成,柱子的作用就像肌肉骨骼系统内的肌腱。然后将由mysolblasts和细胞外基质(ECM)蛋白组成的凝胶围绕在柱子周围,形成一个坚实的肌肉条,随着凝胶的凝固,它使柱子被拉近,发育成肌肉组织。

       在最初的测试中,自旋机器人观察到自发的肌肉收缩,产生10-40μN的主动张力横跨梁上的肌肉收缩。虽然发现肌肉自发收缩,频率是可控的,通过应用和随后的阻断的神经递质应用到脊髓的频率。添加300μM的谷氨酸的解决方案,导致肌肉收缩的模式发生明显的变化。

       相反,谷氨酸受体拮抗剂的添加导致肌肉收缩几乎完全停止,即使应用额外的谷氨酸也是如此。这些拮抗剂的应用引起的抑制超过基线水平,表明脊髓是驱动观察到的自发收缩的大部分。

      该研究的更多细节可以在题为 "Emergence of functional neuromuscular junctions in an engineered, multicellular spinal cord-uscle bioactuator "的论文中找到。该研究由C.D.Kaufman、S.C.Liu、C.Cvetkovic、C.A.Lee、G.Naseri Kouzehgarani、R.Gillette、R.Bashir和M.U.Gillette共同撰写。

软机器人与3D打印 

       近年来,3D生物打印技术在移动机器人领域的应用呈现出多种形式。例如,来自纽约康奈尔大学的研究人员开发出了一种3D打印的软性机器人肌肉,能够通过汗水控制内部温度。研究人员制作出了类似于手指的软性致动器,能够留住水分并对温度做出反应,研究人员的目标是让无系带的机器人能够长时间运行。

      来自加泰罗尼亚生物工程研究所(IBEC)的科学家们利用3D生物打印技术制造出了 "肌肉"。该实验还利用骨骼肌组织制作生物触媒器,开发出能够施加力量并可能抓取或沿表面行走的细胞结构。

      去年8月,荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究人员创造了多种颜色的3D打印传感器,帮助软性机器人的自我意识和适应性。这种软机器人由高柔性材料制成,能够做出类似于生物体自然运动的动作。

 

 
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