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)造出了一個功能性的 "自旋機(jī)器人",。

新穎的生物機(jī)器人的動力方法應(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,。

這種方法不僅可以驅(qū)動運動,，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)器人的動力,，因為它的細(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、光遺傳學(xué)或化學(xué)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(xì)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(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)建這個自旋機(jī)器人,，3D打印技術(shù)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(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(jī)器人觀察到自發(fā)的肌肉收縮,，產(chǎn)生10-40μN(yùn)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(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器，能夠留住水分并對溫度做出反應(yīng),，研究人員的目標(biāo)是讓無系帶的機(jī)器人能夠長時間運行,。

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(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動的動作,。

編譯自：3dprintingindustry