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>
-
mems
+關(guān)注
關(guān)注
129文章
3884瀏覽量
190109 -
外部電源
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
10瀏覽量
7140
原文標(biāo)題:奇思妙想,首個(gè)由蚯蚓肌肉驅(qū)動(dòng)的生物MEMS微芯片閥門
文章出處:【微信號(hào):Micro-Fluidics,微信公眾號(hào):微流控】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論