美研究者用3D打印的小鼠肌肉構(gòu)造生物機器人，有望用于假肢制造

來源：智東西

導語：小鼠細胞制成的3D打印肌肉可靠大鼠脊柱提供動力，老鼠脊柱手有望跨次元呈現(xiàn)。

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智東西5月6日消息，美國研究者使用實驗室培育小鼠細胞制成的3D打印肌肉構(gòu)造了生物機器人，此機器人由大鼠的脊柱提供動力。該系統(tǒng)有望協(xié)助生物疾病的修復，并用于假肢的制造。

生物機器人技術是用有生命的材料構(gòu)成的，而不是用金屬材料構(gòu)成的機器人。它們是利用自然界中的動物作為運動本體的機器人，通過把微電極植入與動物相關的腦核團或方向感受區(qū)，并施加人工模擬的神經(jīng)電信號，從而達到控制運動的行為。

與傳統(tǒng)的仿生機器人相比，生物機器人在能源供給、運動靈活性、隱蔽性、機動性和適應性等方面具有明顯優(yōu)勢。模仿生物體的動作方式已經(jīng)成為一種被應用于仿生設備和機器的方法。比如，在進化算法的幫助下，佛蒙特大學（University of Vermont）與塔夫茨大學（Tufts University）的研究人員用非洲爪蟾的皮膚細胞和心臟細胞造出了一種名Xenobots的為新型“活體機器人”。

▲由青蛙干細胞打造的生物機器人Xenobots

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）的Collin Kaufman及其同事，使用由實驗室培育的小鼠細胞制成的3D打印肌肉構(gòu)造了生物機器人。3D打印肌肉本身并不能做很多事情，想要使用它們，則需要的是以某種方式控制它們。

研究人員沒有將這些3D打印肌肉連接到電子控制系統(tǒng)上，而是使用了大鼠脊柱中控制后腿的部分來操控肌肉。在脊椎動物中，復雜的運動任務主要由脊髓和腦干網(wǎng)絡控制。

以前在骨骼肌上的工作通常使用C2C12成肌細胞來研究體外的肌肉分化、力量產(chǎn)生和神經(jīng)肌肉相互作用。當時一些工作完全通過外部控制機制，如外加電場、光遺傳學或化學刺激，繞過了運動神經(jīng)元輸入到肌肉的過程。然而，神經(jīng)元和肌肉在單一培養(yǎng)或一起培養(yǎng)時表現(xiàn)出不同的表現(xiàn)和行為。因此，為了建立神經(jīng)肌肉接點（NMJ）的體外模型，對這些細胞進行共培養(yǎng)是很重要的，以使突發(fā)性組織和多細胞相互作用能夠在體外發(fā)生。

完整的大鼠脊髓從頭端到尾端具有三個不同的解剖區(qū)域：宮頸，胸廓和腰椎。腫大的腰椎腫大是尾椎脊髓的一個寬闊區(qū)域，是下肢神經(jīng)的附著點。中樞模式發(fā)生器（CPG）是脊髓內(nèi)復雜的振蕩網(wǎng)絡，控制著從運動到呼吸的一系列有節(jié)奏的動作。

▲完整的新生大鼠脊髓的器官型培養(yǎng)

四足運動需要在肢體內(nèi)以及同側(cè)和對側(cè)肢體之間同時協(xié)調(diào)屈伸肌對。這是由稱為CPG的脊髓回路完成的。CPG是一種大致對稱的回路，通常由外側(cè)興奮性中間神經(jīng)元、內(nèi)側(cè)抑制性中間神經(jīng)元組成，輸出到腹外側(cè)膽堿能運動神經(jīng)元組成。CPG的功能是從無模式的輸入中產(chǎn)生有模式的輸出。先前的工作已經(jīng)確定了第一和第二腰椎作為大鼠后肢運動CPG的位置。

當研究者將大鼠脊柱與3D肌肉相連時，脊柱將神經(jīng)元延伸到肌肉中，并開始通過肌肉發(fā)送電信號，使肌肉收縮。脊柱和肌肉被連接到一個靈活的支架上，支架的兩條手臂垂直于脊椎伸出，這樣當肌肉收縮時，支架就會彎曲，兩臂則指向彼此。

▲從脊髓和C2C12成肌細胞構(gòu)建旋轉(zhuǎn)機器人的方法

研究表明，使用生理上完整的脊髓驅(qū)動圖案化的肌肉收縮，可實現(xiàn)第一個全功能3D神經(jīng)肌肉連接的工程設計。

Kaufman說：“大鼠脊髓在離開身體一個多星期后，就能夠識別3D肌肉，并在體內(nèi)完成肌肉有規(guī)律的收縮。肌肉的收縮可以通過在系統(tǒng)中添加或刪除神經(jīng)遞質(zhì)來控制�！�

眾所周知，這些構(gòu)成周圍神經(jīng)系統(tǒng)的脊柱神經(jīng)元很難在活體動物中進行研究。因此，關于此類神經(jīng)元的疾病很難被理解，例如被稱為運動神經(jīng)元疾病的肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ALS）。Kaufman說，這樣的系統(tǒng)可以使實時研究這些疾病的進展變得更加容易。

這個機器人只有大約6毫米長，由于太小，肌肉很難將營養(yǎng)物質(zhì)吸收到所有組織上，因此機器人的小體積也使這項研究成果的呈現(xiàn)面臨更大挑戰(zhàn)。但是，一旦研究人員開發(fā)出一種使此系統(tǒng)變大的方法，它們就可能用于其他醫(yī)學用途。

用大鼠的脊椎制造的機器人可以用于研究疾病在組織中的傳播過程，并最終可協(xié)助生物疾病的修復。Kaufman認為：“最終，這種模式可以用于假肢的使用，但這可能要用實驗室培養(yǎng)的人體組織，而不是老鼠的脊柱來完成。因為沒有人會想擁有可怕的老鼠脊柱手�！�

結(jié)語：未來假肢有望受人體脊柱神經(jīng)元控制

小鼠細胞制成的3D打印肌肉構(gòu)造的生物機器人可依靠大鼠脊柱神經(jīng)元進行控制，而此類系統(tǒng)有望應用于假肢制造。利用人類的脊柱神經(jīng)元控制假肢成為可能。