將3D打印水凝膠骨架與大鼠脊髓結(jié)合，美國伊利諾伊大學(xué)做出生物機(jī)器人

2020年5月12日，南極熊從外媒獲悉，來自美國伊利諾伊大學(xué)的研究人員成功地將3D打印水凝膠骨架與大鼠脊髓融合在一起，創(chuàng)造出了一個(gè)功能性的 "自旋機(jī)器人"。

新穎的生物機(jī)器人的動(dòng)力方法應(yīng)用谷氨酸，一種由大腦中的神經(jīng)細(xì)胞釋放的神經(jīng)遞質(zhì)，作為刺激，驅(qū)動(dòng)大鼠脊柱中的模式化肌肉收縮，這反過來又使機(jī)器人移動(dòng)。

這種方法不僅可以驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而且自旋機(jī)器人似乎模仿了外周神經(jīng)系統(tǒng)（PNS）的部分功能，這可能有助于拓寬未來設(shè)計(jì)的潛力，將脊柱感覺輸入作為控制機(jī)制。

△SEM圖像顯示了毗連膽堿能神經(jīng)元和突觸后乙酰膽堿受體的證據(jù)，照片來自伊利諾伊大學(xué)

新穎的軟機(jī)器人制造方法

以往將大鼠納入生物機(jī)器人的嘗試，都是利用大鼠心肌細(xì)胞創(chuàng)造的大鼠心肌的收縮為動(dòng)力。例如，2007年，來自首爾國立大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了微型螃蟹狀機(jī)器人，由大鼠心肌組織提供動(dòng)力。這些機(jī)器人可以發(fā)揮作用，但肌肉的收縮無法直接控制，它需要不斷的營養(yǎng)供應(yīng)才能存活，只能維持幾個(gè)星期。

因此，伊利諾伊大學(xué)的研究人員選擇用骨骼肌來代替機(jī)器人的動(dòng)力，因?yàn)樗�的�?xì)胞更容易被改造，它提供了更廣泛的潛在行為。這種方法通常需要外部刺激，如電場(chǎng)、光遺傳學(xué)或化學(xué)刺激等來驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，但研究人員用神經(jīng)信息傳遞來控制肌肉的收縮，而是用大鼠的脊髓來代替。

一只大鼠的脊髓大約含有36×106個(gè)細(xì)胞，其中超過10×106個(gè)是神經(jīng)元，因此是實(shí)驗(yàn)的理想選擇。研究人員所使用的脊髓是生物體骨架長度的四倍以上，研究小組被迫從第一和第二腰椎內(nèi)分離并培養(yǎng)出一段脊柱。

△從脊髓和C2C12肌細(xì)胞中構(gòu)建自旋機(jī)器人的方法，照片來自伊利諾伊大學(xué)

使用3D打印構(gòu)建自旋機(jī)器人的方法

為了構(gòu)建這個(gè)自旋機(jī)器人，3D打印技術(shù)被用于創(chuàng)建一個(gè)由兩個(gè)柱子組成的聚丙烯酸水凝膠骨架，這些柱子由一個(gè)柔性光束連接而成，柱子的作用就像肌肉骨骼系統(tǒng)內(nèi)的肌腱。然后將由mysolblasts和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）蛋白組成的凝膠圍繞在柱子周圍，形成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的肌肉條，隨著凝膠的凝固，它使柱子被拉近，發(fā)育成肌肉組織。

在最初的測(cè)試中，自旋機(jī)器人觀察到自發(fā)的肌肉收縮，產(chǎn)生10-40μN(yùn)的主動(dòng)張力橫跨梁上的肌肉收縮。雖然發(fā)現(xiàn)肌肉自發(fā)收縮，頻率是可控的，通過應(yīng)用和隨后的阻斷的神經(jīng)遞質(zhì)應(yīng)用到脊髓的頻率。添加300μM的谷氨酸的解決方案，導(dǎo)致肌肉收縮的模式發(fā)生明顯的變化。

相反，谷氨酸受體拮抗劑的添加導(dǎo)致肌肉收縮幾乎完全停止，即使應(yīng)用額外的谷氨酸也是如此。這些拮抗劑的應(yīng)用引起的抑制超過基線水平，表明脊髓是驅(qū)動(dòng)觀察到的自發(fā)收縮的大部分。

該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "Emergence of functional neuromuscular junctions in an engineered, multicellular spinal cord-uscle bioactuator "的論文中找到。該研究由C.D.Kaufman、S.C.Liu、C.Cvetkovic、C.A.Lee、G.Naseri Kouzehgarani、R.Gillette、R.Bashir和M.U.Gillette共同撰寫。

軟機(jī)器人與3D打印

近年來，3D生物打印技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出多種形式。例如，來自紐約康奈爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種3D打印的軟性機(jī)器人肌肉，能夠通過汗水控制內(nèi)部溫度。研究人員制作出了類似于手指的軟性致動(dòng)器，能夠留住水分并對(duì)溫度做出反應(yīng)，研究人員的目標(biāo)是讓無系帶的機(jī)器人能夠長時(shí)間運(yùn)行。

來自加泰羅尼亞生物工程研究所（IBEC）的科學(xué)家們利用3D生物打印技術(shù)制造出了 "肌肉"。該實(shí)驗(yàn)還利用骨骼肌組織制作生物觸媒器，開發(fā)出能夠施加力量并可能抓取或沿表面行走的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

去年8月，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）的研究人員創(chuàng)造了多種顏色的3D打印傳感器，幫助軟性機(jī)器人的自我意識(shí)和適應(yīng)性。這種軟機(jī)器人由高柔性材料制成，能夠做出類似于生物體自然運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作。

編譯自：3dprintingindustry