由蚯蚓肌肉驱动的类似于机器人的微芯片阀门

日本RIKEN生物系统动力学研究中心(BDR)的科学家开发出了第一个由活细胞驱动的微芯片阀门。蚯蚓肌肉组织允许可​​以持续数分钟的高收缩力，并且与电控阀不同，不需要任何外部电源，例如电池。

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。Bio-MEMS有许多应用，从改进的药物输送和光学和电化学传感器到片上器官。来自RIKEN BDR和东京电气大学的研究人员团队一直致力于开发一种由真实肌肉驱动的生物MEMS，可用于外科植入物。基于其片上微泵设计，这项新研究是片上肌肉驱动阀的概念验证。

在机械学中，致动器是机器的一部分，其通过使机构移动来控制机构，例如阀门的打开和关闭。致动器需要电源和控制信号，这些信号通常是电流或某种流体压力。在bio-MEM系统中使用肌肉作为执行器的主要优点是它们可以像在生物体中一样以相同的方式供电：化学。对于肌肉，收缩的信号是由神经元递送的分子乙酰胆碱 - 能量来源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，我们的肌肉驱动阀门运行在生物体中天然丰富的分子上，”第一作者Yo Tanaka说。 RIKEN BDR。“这使它具有生物友好性，特别适用于难以或不建议使用电力的医疗应用。”

视频显示荧光标记的微粒通过芯片上的微通道流动。在10秒时，施加乙酰胆碱并且阀门开始关闭。此时流量由于压力而反转，并且完全停止47秒。图片来源：RIKEN

该团队最初确定，当用极少量的乙酰胆碱刺激时，一片1厘米×3厘米的小蚯蚓肌片在2分钟内可产生约1.5毫牛顿的平均收缩力。利用这些数据，他们在2 cm x 2 cm的微芯片上构建了一个微流体通道和阀门，可以通过蚯蚓肌的收缩/松弛来控制。

为了测试该系统，他们使用显微镜监测液体中流过微通道的荧光标记的微粒。当应用乙酰胆碱时，肌肉收缩。将所产生的力转换成杆，将其向下推以关闭阀门，这成功地阻止了液体的流动。当洗去乙酰胆碱时，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的阀门是可能的，我们可以进行改进，使其变得实用，”田中说。“一种选择是使用培养的肌肉细胞。这可以实现大规模生产，更好的控制和形状方面的灵活性。但是，我们将不得不考虑与这种方式相比可以产生的力量减少。真实的肌肉床单。