將3D打印水凝膠骨架與大鼠脊髓結合，美國伊利諾伊大學做出生物機器人

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)造出了一個功能性的 "自旋機器人"。

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

這種方法不僅可以驅(qū)動運動，而且自旋機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計的潛力，將脊柱感覺輸入作為控制機制。

△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

新穎的軟機器人制造方法

以往將大鼠納入生物機器人的嘗試，都是利用大鼠心肌細胞創(chuàng)造的大鼠心肌的收縮為動力。例如，2007年，來自首爾國立大學的研究人員創(chuàng)造了微型螃蟹狀機器人，由大鼠心肌組織提供動力。這些機器人可以發(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)供應才能存活，只能維持幾個星期。

因此，伊利諾伊大學的研究人員選擇用骨骼肌來代替機器人的動力，因為它的細胞更容易被改造，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、光遺傳學或化學刺激等來驅(qū)動運動，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個細胞，其中超過10×106個是神經(jīng)元，因此是實驗的理想選擇。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肌細胞中構建自旋機器人的方法，照片來自伊利諾伊大學

使用3D打印構建自旋機器人的方法

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

在最初的測試中，自旋機器人觀察到自發(fā)的肌肉收縮，產(chǎn)生10-40μN的主動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，通過應用和隨后的阻斷的神經(jīng)遞質(zhì)應用到脊髓的頻率。添加300μM的谷氨酸的解決方案，導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致肌肉收縮幾乎完全停止，即使應用額外的谷氨酸也是如此。這些拮抗劑的應用引起的抑制超過基線水平，表明脊髓是驅(qū)動觀察到的自發(fā)收縮的大部分。

該研究的更多細節(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。

軟機器人與3D打印

近年來，3D生物打印技術在移動機器人領域的應用呈現(xiàn)出多種形式。例如，來自紐約康奈爾大學的研究人員開發(fā)出了一種3D打印的軟性機器人肌肉，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器，能夠留住水分并對溫度做出反應，研究人員的目標是讓無系帶的機器人能夠長時間運行。

來自加泰羅尼亞生物工程研究所（IBEC）的科學家們利用3D生物打印技術制造出了 "肌肉"。該實驗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胞結構。

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

編譯自：3dprintingindustry