麻省理工學(xué)院的新型生物制造技術(shù)可用于多向人造肌肉組織和3D打印眼睛

2025年3月20日，南極熊獲悉，麻省理工研究人員宣稱正在采用一種全新的方法來(lái)培育能夠在多個(gè)方向收縮的人造肌肉組織，比以往更接近地模仿自然肌肉的運(yùn)動(dòng)。

△研究人員開發(fā)出一種人造肌肉驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，它既可以向心拉動(dòng)，也可以向徑向拉動(dòng)，模仿人眼虹膜擴(kuò)張和收縮瞳孔

該團(tuán)隊(duì)沒(méi)有依賴傳統(tǒng)、復(fù)雜的制造方法，而是采用了一種出奇簡(jiǎn)單的方法，使用3D打印印章在柔軟的水凝膠中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化凹槽。這些凹槽引導(dǎo)肌肉細(xì)胞生長(zhǎng)，確保它們排列成可以在多個(gè)方向上收縮的功能性纖維。

這項(xiàng)研究由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系尤金貝爾組織工程職業(yè)發(fā)展教授Ritu Raman領(lǐng)導(dǎo)。研究資金由美國(guó)海軍研究辦公室(ONR)、美國(guó)陸軍研究辦公室、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)提供。

△這項(xiàng)技術(shù)已發(fā)表在《生物材料科學(xué)》雜志上，題目為“利用微地形構(gòu)建多向肌肉執(zhí)行器”（傳送門）

人造虹膜可控制肌肉收縮

該研究的核心是通過(guò)微地形圖案化（STAMP）對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行簡(jiǎn)單模板化，這是一種以微觀精度塑造肌肉生長(zhǎng)的制造工藝。

為了驗(yàn)證這種方法的可行性，研究人員設(shè)計(jì)了一種人工虹膜，這是一類生物混合執(zhí)行器，旨在模仿人眼瞳孔的擴(kuò)張和收縮機(jī)制。該結(jié)構(gòu)集成了兩種不同排列的肌肉纖維：一種形成同心圓，另一種呈放射狀。在光刺激下，這兩種纖維協(xié)同作用，產(chǎn)生受控的收縮反應(yīng)，展現(xiàn)出工程肌肉組織中罕見的協(xié)調(diào)性。

自然肌肉纖維的生長(zhǎng)方向并不是完全直線的；它們?cè)谌梭w中以不同的方向生長(zhǎng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)。然而，傳統(tǒng)的人造肌肉設(shè)計(jì)通常僅限于單向拉伸。這一限制使得開發(fā)能夠執(zhí)行復(fù)雜多軸運(yùn)動(dòng)的生物混合執(zhí)行器變得極具挑戰(zhàn)性。借助STAMP（空間定位肌肉生長(zhǎng)）技術(shù)，肌肉的生長(zhǎng)模式現(xiàn)在可以更加復(fù)雜，從而使人造組織的功能更加接近自然組織的功能。

△通過(guò)微地形圖案(STAMP)對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行簡(jiǎn)單模板化。首先，他們用3D打印出一個(gè)小型手持式印章（上圖），印章上有微小的凹槽，每個(gè)凹槽都小到一個(gè)細(xì)胞。然后，他們將印章壓入柔軟的水凝膠中，并在產(chǎn)生的凹槽中植入真正的肌肉細(xì)胞。細(xì)胞沿著水凝膠中的這些凹槽生長(zhǎng)，形成纖維（下圖）

可及性是開發(fā)壓模工藝的關(guān)鍵。研究人員利用高分辨率3D打印技術(shù)制作了帶有微觀凹槽的壓模，這些凹槽的尺寸與單個(gè)肌肉細(xì)胞相匹配。通過(guò)在印章上施加蛋白質(zhì)涂層，確保在不損壞材料的情況下，肌肉能夠干凈地轉(zhuǎn)移到水凝膠上。一旦肌肉被壓入指定位置，印章即為肌肉纖維提供了一個(gè)精確的生長(zhǎng)藍(lán)圖。這導(dǎo)致了形成一個(gè)能夠長(zhǎng)期維持功能的結(jié)構(gòu)化組織網(wǎng)絡(luò)。

此外，計(jì)算建模在驗(yàn)證這一技術(shù)方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。模擬預(yù)測(cè)，使用STAMP方法生長(zhǎng)的肌肉纖維將以協(xié)調(diào)、多方向的方式收縮，這一預(yù)測(cè)已通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到證實(shí)。

△STAMP對(duì)肌肉成熟和纖維形態(tài)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

人造虹膜能夠以一種與人類眼睛中自然發(fā)生的瞳孔收縮功能非常相似的方式進(jìn)行控制。盡管這項(xiàng)研究專注于骨骼肌，但該方法并不局限于一種細(xì)胞類型。研究人員相信，它也可以適用于神經(jīng)元、心肌細(xì)胞和其它組織，以創(chuàng)造結(jié)構(gòu)精確的生物工程材料。

展望未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)醫(yī)學(xué)以外的應(yīng)用前景充滿期待�；�于肌肉的執(zhí)行器可以為軟機(jī)器人中的剛性機(jī)械部件提供節(jié)能的替代品，尤其是在靈活性至關(guān)重要的環(huán)境中。能夠執(zhí)行多自由度（multi-DOF）運(yùn)動(dòng)的能力，將使生物混合機(jī)器人在適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)性方面更加出色。