日本理化學研究所(RIKEN)生物系統動力學研究中心(BDR)的科學家利用能夠持續提供數分鐘高收縮力的蚯蚓肌肉組織,開發出了第一個由活細胞驅動的MEMS微芯片閥門,并且與電控閥門不同,這款微芯片閥門不需要電池等任何外部電源。
幾十年來,研究人員一直在嘗試將微機電系統(MEMS)與生物材料結合起來實現所謂的“生物MEMS(Bio-MEMS)”。生物MEMS有許多應用,包括從改善藥物輸送、光學和電化學傳感器到芯片器官等等。來自RIKEN BDR和東京電氣大學(Tokyo Denki University)的研究團隊一直致力于開發一種由真實肌肉驅動的生物MEMS,或能用于外科植入物。基于其片上微泵設計,這項新研究是對“片上肌肉驅動閥”概念的驗證。
在機械領域,執行器是通過動力源使其運動來實現機構控制的機械部分,例如閥門的打開和關閉。執行器需要能源和控制信號,這些信號通常是電流或某種流體壓力。在生物MEMS系統中,使用肌肉作為執行器的主要優勢是它們可以像在生物體中一樣,以相同的化學方式供能。對于肌肉來說,收縮信號來自由神經元遞送的化學分子乙酰膽堿,而收縮能量來源則是肌肉細胞內存在的三磷酸腺苷(ATP)。
“我們的生物MEMS不僅可以在沒有外部電源的情況下工作,而且與其他由酸控制的化學驅動閥不同,我們的‘肌肉驅動閥’基于生物體中蘊含豐富的分子,”來自RIKEN BDR的論文第一作者Yo Tanaka說,“這使它具有生物友好性,特別適用于那些難以用電或不建議使用電力的醫療應用。”
該研究團隊早期確定了當用極少量的乙酰膽堿刺激時,1cm x 3cm蚯蚓肌片可以產生持續2分鐘的約1.5毫牛頓(milli-newton)的平均收縮力。利用這些研究數據,他們在2cm x 2cm的微芯片上構建了一個微流體通道和閥門,可以通過蚯蚓肌片的收縮/松弛來進行控制。
為了測試該系統,他們使用顯微鏡來監測流過微通道的液體,液體中包含熒光標記的微粒。當向蚯蚓肌肉片應用乙酰膽堿時,肌肉產生收縮,所產生的力施加到微通道阻擋塊,并將其向下推以關閉閥門,這成功地阻止了微液體的流動。然后,洗去乙酰膽堿,肌肉松弛,閥門重新打開,液體再次流動。
“現在我們已經證明了‘片上肌肉驅動閥’是可行的,我們將進一步改進,使其變得更加實用,”Tanaka說,“一種選擇是使用培養的肌肉細胞。這樣可以實現批量生產,在形狀方面更好控制、更靈活。不過,與真正的肌肉片相比,需要注意這種方案所產生的力有可能降低。”
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原文標題:奇思妙想,首個由蚯蚓肌肉驅動的生物MEMS微芯片閥門
文章出處:【微信號:Micro-Fluidics,微信公眾號:微流控】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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