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3D打印的小鼠肌肉构造生物机器人

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-05-07  来源:NewScientist  浏览次数:847
        美国研究者使用实验室培育小鼠细胞制成的3D打印肌肉构造了生物机器人,此机器人由大鼠的脊柱提供动力。该系统有望协助生物疾病的修复,并用于假肢的制造。

        生物机器人技术是用有生命的材料构成的,而不是用金属材料构成的机器人。它们是利用自然界中的动物作为运动本体的机器人,通过把微电极植入与动物相关的脑核团或方向感受区,并施加人工模拟的神经电信号,从而达到控制运动的行为。

        与传统的仿生机器人相比,生物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性等方面具有明显优势。模仿生物体的动作方式已经成为一种被应用于仿生设备和机器的方法。比如,在进化算法的帮助下,佛蒙特大学(University of Vermont)与塔夫茨大学(Tufts University)的研究人员用非洲爪蟾的皮肤细胞和心脏细胞造出了一种名Xenobots的为新型“活体机器人”。

3D打印的小鼠肌肉构造生物机器人

▲由青蛙干细胞打造的生物机器人Xenobots

        伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的Collin Kaufman及其同事,使用由实验室培育的小鼠细胞制成的3D打印肌肉构造了生物机器人。3D打印肌肉本身并不能做很多事情,想要使用它们,则需要的是以某种方式控制它们。

        研究人员没有将这些3D打印肌肉连接到电子控制系统上,而是使用了大鼠脊柱中控制后腿的部分来操控肌肉。在脊椎动物中,复杂的运动任务主要由脊髓和脑干网络控制。

        以前在骨骼肌上的工作通常使用C2C12成肌细胞来研究体外的肌肉分化、力量产生和神经肌肉相互作用。当时一些工作完全通过外部控制机制,如外加电场、光遗传学或化学刺激,绕过了运动神经元输入到肌肉的过程。然而,神经元和肌肉在单一培养或一起培养时表现出不同的表现和行为。因此,为了建立神经肌肉接点(NMJ)的体外模型,对这些细胞进行共培养是很重要的,以使突发性组织和多细胞相互作用能够在体外发生。

        完整的大鼠脊髓从头端到尾端具有三个不同的解剖区域:宫颈,胸廓和腰椎。肿大的腰椎肿大是尾椎脊髓的一个宽阔区域,是下肢神经的附着点。中枢模式发生器(CPG)是脊髓内复杂的振荡网络,控制着从运动到呼吸的一系列有节奏的动作。

3D打印的小鼠肌肉构造生物机器人

▲完整的新生大鼠脊髓的器官型培养

        四足运动需要在肢体内以及同侧和对侧肢体之间同时协调屈伸肌对。这是由称为CPG的脊髓回路完成的。CPG是一种大致对称的回路,通常由外侧兴奋性中间神经元、内侧抑制性中间神经元组成,输出到腹外侧胆碱能运动神经元组成。CPG的功能是从无模式的输入中产生有模式的输出。先前的工作已经确定了第一和第二腰椎作为大鼠后肢运动CPG的位置。

        当研究者将大鼠脊柱与3D肌肉相连时,脊柱将神经元延伸到肌肉中,并开始通过肌肉发送电信号,使肌肉收缩。脊柱和肌肉被连接到一个灵活的支架上,支架的两条手臂垂直于脊椎伸出,这样当肌肉收缩时,支架就会弯曲,两臂则指向彼此。


3D打印的小鼠肌肉构造生物机器人

▲从脊髓和C2C12成肌细胞构建旋转机器人的方法

        研究表明,使用生理上完整的脊髓驱动图案化的肌肉收缩,可实现第一个全功能3D神经肌肉连接的工程设计。

        Kaufman说:“大鼠脊髓在离开身体一个多星期后,就能够识别3D肌肉,并在体内完成肌肉有规律的收缩。肌肉的收缩可以通过在系统中添加或删除神经递质来控制。”

        众所周知,这些构成周围神经系统的脊柱神经元很难在活体动物中进行研究。因此,关于此类神经元的疾病很难被理解,例如被称为运动神经元疾病的肌萎缩性侧索硬化症(ALS)。Kaufman说,这样的系统可以使实时研究这些疾病的进展变得更加容易。

        这个机器人只有大约6毫米长,由于太小,肌肉很难将营养物质吸收到所有组织上,因此机器人的小体积也使这项研究成果的呈现面临更大挑战。但是,一旦研究人员开发出一种使此系统变大的方法,它们就可能用于其他医学用途。

        用大鼠的脊椎制造的机器人可以用于研究疾病在组织中的传播过程,并最终可协助生物疾病的修复。Kaufman认为:“最终,这种模式可以用于假肢的使用,但这可能要用实验室培养的人体组织,而不是老鼠的脊柱来完成。因为没有人会想拥有可怕的老鼠脊柱手。”

结语:未来假肢有望受人体脊柱神经元控制

        小鼠细胞制成的3D打印肌肉构造的生物机器人可依靠大鼠脊柱神经元进行控制,而此类系统有望应用于假肢制造。利用人类的脊柱神经元控制假肢成为可能。
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