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首个由蚯蚓肌肉驱动的生物MEMS微芯片阀门

  日本理化学研究所(RIKEN)生物系统动力学研究中心(BDR)的科学家利用能够持续提供数分钟高收缩力的蚯蚓肌肉组织,开发出了第一个由活细胞驱动的MEMS微芯片阀门,并且与电控阀门不同,这款微芯片阀门不需要电池等任何外部电源。

  据麦姆斯咨询报道,日本理化学研究所(RIKEN)生物系统动力学研究中心(BDR)的科学家利用能够持续提供数分钟高收缩力的蚯蚓肌肉组织,开发出了第一个由活细胞驱动的MEMS微芯片阀门,并且与电控阀门不同,这款微芯片阀门不需要电池等任何外部电源。

  几十年来,研究人员一直在尝试将微机电系统(MEMS)与生物材料结合起来实现所谓的“生物MEMS(Bio-MEMS)”。生物MEMS有许多应用,包括从改善药物输送、光学和电化学传感器到芯片器官等等。来自RIKEN BDR和东京电气大学(Tokyo Denki University)的研究团队一直致力于开发一种由真实肌肉驱动的生物MEMS,或能用于外科植入物。基于其片上微泵设计,这项新研究是对“片上肌肉驱动阀”概念的验证。

  在机械领域,执行器是通过动力源使其运动来实现机构控制的机械部分,例如阀门的打开和关闭。执行器需要能源和控制信号,这些信号通常是电流或某种流体压力。在生物MEMS系统中,使用肌肉作为执行器的主要优势是它们可以像在生物体中一样,以相同的化学方式供能。对于肌肉来说,收缩信号来自由神经元递送的化学分子乙酰胆碱,而收缩能量来源则是肌肉细胞内存在的三磷酸腺苷(ATP)。

  “我们的生物MEMS不仅可以在没有外部电源的情况下工作,而且与其他由酸控制的化学驱动阀不同,我们的‘肌肉驱动阀’基于生物体中蕴含丰富的分子,”来自RIKEN BDR的论文第一作者Yo Tanaka说,“这使它具有生物友好性,特别适用于那些难以用电或不建议使用电力的医疗应用。”

  该研究团队早期确定了当用极少量的乙酰胆碱刺激时,1cm x 3cm蚯蚓肌片可以产生持续2分钟的约1.5毫牛顿(milli-newton)的平均收缩力。利用这些研究数据,他们在2cm x 2cm的微芯片上构建了一个微流体通道和阀门,可以通过蚯蚓肌片的收缩/松弛来进行控制。

  为了测试该系统,他们使用显微镜来监测流过微通道的液体,液体中包含荧光标记的微粒。当向蚯蚓肌肉片应用乙酰胆碱时,肌肉产生收缩,所产生的力施加到微通道阻挡块,并将其向下推以关闭阀门,这成功地阻止了微液体的流动。然后,洗去乙酰胆碱,肌肉松弛,阀门重新打开,液体再次流动。

  “现在我们已经证明了‘片上肌肉驱动阀’是可行的,我们将进一步改进,使其变得更加实用,”Tanaka说,“一种选择是使用培养的肌肉细胞。这样可以实现批量生产,在形状方面更好控制、更灵活。不过,与真正的肌肉片相比,需要注意这种方案所产生的力有可能降低。”(生物谷

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