首個(gè)由活細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的MEMS微芯片閥門,不需要任何外部電源

日本理化學(xué)研究所（RIKEN）生物系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究中心（BDR）的科學(xué)家利用能夠持續(xù)提供數(shù)分鐘高收縮力的蚯蚓肌肉組織，開發(fā)出了第一個(gè)由活細(xì)胞驅(qū)動(dòng)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS）與生物材料結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)所謂的“生物MEMS（Bio-MEMS）”。生物MEMS有許多應(yīng)用，包括從改善藥物輸送、光學(xué)和電化學(xué)傳感器到芯片器官等等。來自RIKEN BDR和東京電氣大學(xué)（Tokyo Denki University）的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于開發(fā)一種由真實(shí)肌肉驅(qū)動(dòng)的生物MEMS，或能用于外科植入物?；谄淦衔⒈迷O(shè)計(jì)，這項(xiàng)新研究是對(duì)“片上肌肉驅(qū)動(dòng)閥”概念的驗(yàn)證。

在機(jī)械領(lǐng)域，執(zhí)行器是通過動(dòng)力源使其運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)控制的機(jī)械部分，例如閥門的打開和關(guān)閉。執(zhí)行器需要能源和控制信號(hào)，這些信號(hào)通常是電流或某種流體壓力。在生物MEMS系統(tǒng)中，使用肌肉作為執(zhí)行器的主要優(yōu)勢(shì)是它們可以像在生物體中一樣，以相同的化學(xué)方式供能。對(duì)于肌肉來說，收縮信號(hào)來自由神經(jīng)元遞送的化學(xué)分子乙酰膽堿，而收縮能量來源則是肌肉細(xì)胞內(nèi)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(xué)驅(qū)動(dòng)閥不同，我們的‘肌肉驅(qū)動(dòng)閥’基于生物體中蘊(yùn)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(yī)療應(yīng)用。”

該研究團(tuán)隊(duì)早期確定了當(dāng)用極少量的乙酰膽堿刺激時(shí)，1cm x 3cm蚯蚓肌片可以產(chǎn)生持續(xù)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(shù)據(jù)，他們?cè)?cm x 2cm的微芯片上構(gòu)建了一個(gè)微流體通道和閥門，可以通過蚯蚓肌片的收縮/松弛來進(jìn)行控制。

為了測(cè)試該系統(tǒng)，他們使用顯微鏡來監(jiān)測(cè)流過微通道的液體，液體中包含熒光標(biāo)記的微粒。當(dāng)向蚯蚓肌肉片應(yīng)用乙酰膽堿時(shí)，肌肉產(chǎn)生收縮，所產(chǎn)生的力施加到微通道阻擋塊，并將其向下推以關(guān)閉閥門，這成功地阻止了微液體的流動(dòng)。然后，洗去乙酰膽堿，肌肉松弛，閥門重新打開，液體再次流動(dòng)。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了‘片上肌肉驅(qū)動(dòng)閥’是可行的，我們將進(jìn)一步改進(jìn)，使其變得更加實(shí)用，”Tanaka說，“一種選擇是使用培養(yǎng)的肌肉細(xì)胞。這樣可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，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(chǎn)生的力有可能降低?！?/p>