美研究者用3D打印的小鼠肌肉構(gòu)造生物機(jī)器人，有望用于假肢制造

來源：智東西

導(dǎo)語：小鼠細(xì)胞制成的3D打印肌肉可靠大鼠脊柱提供動(dòng)力，老鼠脊柱手有望跨次元呈現(xiàn)。

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智東西5月6日消息，美國研究者使用實(shí)驗(yàn)室培育小鼠細(xì)胞制成的3D打印肌肉構(gòu)造了生物機(jī)器人，此機(jī)器人由大鼠的脊柱提供動(dòng)力。該系統(tǒng)有望協(xié)助生物疾病的修復(fù)，并用于假肢的制造。

生物機(jī)器人技術(shù)是用有生命的材料構(gòu)成的，而不是用金屬材料構(gòu)成的機(jī)器人。它們是利用自然界中的動(dòng)物作為運(yùn)動(dòng)本體的機(jī)器人，通過把微電極植入與動(dòng)物相關(guān)的腦核團(tuán)或方向感受區(qū)，并施加人工模擬的神經(jīng)電信號(hào)，從而達(dá)到控制運(yùn)動(dòng)的行為。

與傳統(tǒng)的仿生機(jī)器人相比，生物機(jī)器人在能源供給、運(yùn)動(dòng)靈活性、隱蔽性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性等方面具有明顯優(yōu)勢。模仿生物體的動(dòng)作方式已經(jīng)成為一種被應(yīng)用于仿生設(shè)備和機(jī)器的方法。比如，在進(jìn)化算法的幫助下，佛蒙特大學(xué)（University of Vermont）與塔夫茨大學(xué)（Tufts University）的研究人員用非洲爪蟾的皮膚細(xì)胞和心臟細(xì)胞造出了一種名Xenobots的為新型“活體機(jī)器人”。

▲由青蛙干細(xì)胞打造的生物機(jī)器人Xenobots

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）的Collin Kaufman及其同事，使用由實(shí)驗(yàn)室培育的小鼠細(xì)胞制成的3D打印肌肉構(gòu)造了生物機(jī)器人。3D打印肌肉本身并不能做很多事情，想要使用它們，則需要的是以某種方式控制它們。

研究人員沒有將這些3D打印肌肉連接到電子控制系統(tǒng)上，而是使用了大鼠脊柱中控制后腿的部分來操控肌肉。在脊椎動(dòng)物中，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)任務(wù)主要由脊髓和腦干網(wǎng)絡(luò)控制。

以前在骨骼肌上的工作通常使用C2C12成肌細(xì)胞來研究體外的肌肉分化、力量產(chǎn)生和神經(jīng)肌肉相互作用。當(dāng)時(shí)一些工作完全通過外部控制機(jī)制，如外加電場、光遺傳學(xué)或化學(xué)刺激，繞過了運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元輸入到肌肉的過程。然而，神經(jīng)元和肌肉在單一培養(yǎng)或一起培養(yǎng)時(shí)表現(xiàn)出不同的表現(xiàn)和行為。因此，為了建立神經(jīng)肌肉接點(diǎn)（NMJ）的體外模型，對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)是很重要的，以使突發(fā)性組織和多細(xì)胞相互作用能夠在體外發(fā)生。

完整的大鼠脊髓從頭端到尾端具有三個(gè)不同的解剖區(qū)域：宮頸，胸廓和腰椎。腫大的腰椎腫大是尾椎脊髓的一個(gè)寬闊區(qū)域，是下肢神經(jīng)的附著點(diǎn)。中樞模式發(fā)生器（CPG）是脊髓內(nèi)復(fù)雜的振蕩網(wǎng)絡(luò)，控制著從運(yùn)動(dòng)到呼吸的一系列有節(jié)奏的動(dòng)作。

▲完整的新生大鼠脊髓的器官型培養(yǎng)

四足運(yùn)動(dòng)需要在肢體內(nèi)以及同側(cè)和對(duì)側(cè)肢體之間同時(shí)協(xié)調(diào)屈伸肌對(duì)。這是由稱為CPG的脊髓回路完成的。CPG是一種大致對(duì)稱的回路，通常由外側(cè)興奮性中間神經(jīng)元、內(nèi)側(cè)抑制性中間神經(jīng)元組成，輸出到腹外側(cè)膽堿能運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元組成。CPG的功能是從無模式的輸入中產(chǎn)生有模式的輸出。先前的工作已經(jīng)確定了第一和第二腰椎作為大鼠后肢運(yùn)動(dòng)CPG的位置。

當(dāng)研究者將大鼠脊柱與3D肌肉相連時(shí)，脊柱將神經(jīng)元延伸到肌肉中，并開始通過肌肉發(fā)送電信號(hào)，使肌肉收縮。脊柱和肌肉被連接到一個(gè)靈活的支架上，支架的兩條手臂垂直于脊椎伸出，這樣當(dāng)肌肉收縮時(shí)，支架就會(huì)彎曲，兩臂則指向彼此。

▲從脊髓和C2C12成肌細(xì)胞構(gòu)建旋轉(zhuǎn)機(jī)器人的方法

研究表明，使用生理上完整的脊髓驅(qū)動(dòng)圖案化的肌肉收縮，可實(shí)現(xiàn)第一個(gè)全功能3D神經(jīng)肌肉連接的工程設(shè)計(jì)。

Kaufman說：“大鼠脊髓在離開身體一個(gè)多星期后，就能夠識(shí)別3D肌肉，并在體內(nèi)完成肌肉有規(guī)律的收縮。肌肉的收縮可以通過在系統(tǒng)中添加或刪除神經(jīng)遞質(zhì)來控制。”

眾所周知，這些構(gòu)成周圍神經(jīng)系統(tǒng)的脊柱神經(jīng)元很難在活體動(dòng)物中進(jìn)行研究。因此，關(guān)于此類神經(jīng)元的疾病很難被理解，例如被稱為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病的肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ALS）。Kaufman說，這樣的系統(tǒng)可以使實(shí)時(shí)研究這些疾病的進(jìn)展變得更加容易。

這個(gè)機(jī)器人只有大約6毫米長，由于太小，肌肉很難將營養(yǎng)物質(zhì)吸收到所有組織上，因此機(jī)器人的小體積也使這項(xiàng)研究成果的呈現(xiàn)面臨更大挑戰(zhàn)。但是，一旦研究人員開發(fā)出一種使此系統(tǒng)變大的方法，它們就可能用于其他醫(yī)學(xué)用途。

用大鼠的脊椎制造的機(jī)器人可以用于研究疾病在組織中的傳播過程，并最終可協(xié)助生物疾病的修復(fù)。Kaufman認(rèn)為：“最終，這種模式可以用于假肢的使用，但這可能要用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人體組織，而不是老鼠的脊柱來完成。因?yàn)闆]有人會(huì)想擁有可怕的老鼠脊柱手。”

結(jié)語：未來假肢有望受人體脊柱神經(jīng)元控制

小鼠細(xì)胞制成的3D打印肌肉構(gòu)造的生物機(jī)器人可依靠大鼠脊柱神經(jīng)元進(jìn)行控制，而此類系統(tǒng)有望應(yīng)用于假肢制造。利用人類的脊柱神經(jīng)元控制假肢成為可能。