将3D打印水凝胶骨架与大鼠脊髓结合，美国伊利诺伊大学做出生物机器人

2020年5月12日，南极熊从外媒获悉，来自美国伊利诺伊大学的研究人员成功地将3D打印水凝胶骨架与大鼠脊髓融合在一起，创造出了一个功能性的 "自旋机器人"。

新颖的生物机器人的动力方法应用谷氨酸，一种由大脑中的神经细胞释放的神经递质，作为刺激，驱动大鼠脊柱中的模式化肌肉收缩，这反过来又使机器人移动。

这种方法不仅可以驱动运动，而且自旋机器人似乎模仿了外周神经系统（PNS）的部分功能，这可能有助于拓宽未来设计的潜力，将脊柱感觉输入作为控制机制。

△SEM图像显示了毗连胆碱能神经元和突触后乙酰胆碱受体的证据，照片来自伊利诺伊大学

新颖的软机器人制造方法

以往将大鼠纳入生物机器人的尝试，都是利用大鼠心肌细胞创造的大鼠心肌的收缩为动力。例如，2007年，来自首尔国立大学的研究人员创造了微型螃蟹状机器人，由大鼠心肌组织提供动力。这些机器人可以发挥作用，但肌肉的收缩无法直接控制，它需要不断的营养供应才能存活，只能维持几个星期。

因此，伊利诺伊大学的研究人员选择用骨骼肌来代替机器人的动力，因为它的细胞更容易被改造，它提供了更广泛的潜在行为。这种方法通常需要外部刺激，如电场、光遗传学或化学刺激等来驱动运动，但研究人员用神经信息传递来控制肌肉的收缩，而是用大鼠的脊髓来代替。

一只大鼠的脊髓大约含有36×106个细胞，其中超过10×106个是神经元，因此是实验的理想选择。研究人员所使用的脊髓是生物体骨架长度的四倍以上，研究小组被迫从第一和第二腰椎内分离并培养出一段脊柱。

△从脊髓和C2C12肌细胞中构建自旋机器人的方法，照片来自伊利诺伊大学

使用3D打印构建自旋机器人的方法

为了构建这个自旋机器人，3D打印技术被用于创建一个由两个柱子组成的聚丙烯酸水凝胶骨架，这些柱子由一个柔性光束连接而成，柱子的作用就像肌肉骨骼系统内的肌腱。然后将由mysolblasts和细胞外基质（ECM）蛋白组成的凝胶围绕在柱子周围，形成一个坚实的肌肉条，随着凝胶的凝固，它使柱子被拉近，发育成肌肉组织。

在最初的测试中，自旋机器人观察到自发的肌肉收缩，产生10-40μN的主动张力横跨梁上的肌肉收缩。虽然发现肌肉自发收缩，频率是可控的，通过应用和随后的阻断的神经递质应用到脊髓的频率。添加300μM的谷氨酸的解决方案，导致肌肉收缩的模式发生明显的变化。

相反，谷氨酸受体拮抗剂的添加导致肌肉收缩几乎完全停止，即使应用额外的谷氨酸也是如此。这些拮抗剂的应用引起的抑制超过基线水平，表明脊髓是驱动观察到的自发收缩的大部分。

该研究的更多细节可以在题为 "Emergence of functional neuromuscular junctions in an engineered, multicellular spinal cord-uscle bioactuator "的论文中找到。该研究由C.D.Kaufman、S.C.Liu、C.Cvetkovic、C.A.Lee、G.Naseri Kouzehgarani、R.Gillette、R.Bashir和M.U.Gillette共同撰写。

软机器人与3D打印

近年来，3D生物打印技术在移动机器人领域的应用呈现出多种形式。例如，来自纽约康奈尔大学的研究人员开发出了一种3D打印的软性机器人肌肉，能够通过汗水控制内部温度。研究人员制作出了类似于手指的软性致动器，能够留住水分并对温度做出反应，研究人员的目标是让无系带的机器人能够长时间运行。

来自加泰罗尼亚生物工程研究所（IBEC）的科学家们利用3D生物打印技术制造出了 "肌肉"。该实验还利用骨骼肌组织制作生物触媒器，开发出能够施加力量并可能抓取或沿表面行走的细胞结构。

去年8月，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究人员创造了多种颜色的3D打印传感器，帮助软性机器人的自我意识和适应性。这种软机器人由高柔性材料制成，能够做出类似于生物体自然运动的动作。

编译自：3dprintingindustry