微型生物機(jī)器人的進(jìn)步比以往任何時(shí)候都要大，這要?dú)w功于脊髓引導(dǎo)他們的腳步。

伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的研究人員開(kāi)發(fā)了這種微小的行走“ spinobots”，它由大鼠肌肉和脊髓組織在柔軟的3D打印的水凝膠骨架上提供動(dòng)力。細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)教授馬莎·吉列特說(shuō)，雖然前幾代生物機(jī)器人可以通過(guò)簡(jiǎn)單的肌肉收縮而前進(jìn)，但脊髓的整合使它們具有更自然的行走節(jié)奏。

吉列特說(shuō)：“這是朝著可以在神經(jīng)計(jì)算和修復(fù)醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的交互式生物裝置發(fā)展的開(kāi)始。”

研究人員在APL Bioengineering雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

為了制造旋轉(zhuǎn)機(jī)器人，研究人員首先印刷了微小的骨架：兩個(gè)腿部支柱和一個(gè)只有幾毫米寬的柔性“骨架”。然后，他們用肌肉細(xì)胞播種，然后長(zhǎng)成肌肉組織。最后，他們整合了大鼠的一部分腰椎脊髓。

該論文的第一作者研究生科林·考夫曼說(shuō)：“我們之所以特別選擇腰椎脊髓，是因?yàn)橐郧暗难芯勘砻魉菁{了控制行走過(guò)程中下肢左右交替的回路。”“從工程學(xué)的角度來(lái)看，神經(jīng)元是驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜，協(xié)調(diào)的肌肉運(yùn)動(dòng)所必需的。神經(jīng)支配的最具挑戰(zhàn)性的障礙是，從未有人培養(yǎng)過(guò)完整的嚙齒類(lèi)動(dòng)物脊髓。”

研究人員必須設(shè)計(jì)一種方法，不僅要提取完整的脊髓然后進(jìn)行培養(yǎng)，還必須將其整合到生物機(jī)器人上并一起培養(yǎng)肌肉和神經(jīng)組織，并以神經(jīng)元形成的方式進(jìn)行與肌肉交界處。

研究人員看到了旋轉(zhuǎn)機(jī)器人中的自發(fā)性肌肉收縮，這表明已經(jīng)形成了所需的神經(jīng)肌肉連接，并且兩種細(xì)胞類(lèi)型正在交流。為了驗(yàn)證脊髓的功能，以促進(jìn)步行，研究人員添加了谷氨酸鹽，谷氨酸鹽是一種神經(jīng)遞質(zhì)，能促使神經(jīng)發(fā)出信號(hào)指示肌肉收縮。

谷氨酸導(dǎo)致肌肉收縮，腿部以自然的步行節(jié)奏運(yùn)動(dòng)。沖洗掉谷氨酸后，旋轉(zhuǎn)機(jī)器人停止行走。

接下來(lái)，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步改善旋轉(zhuǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，使其步態(tài)更加自然。研究人員希望這種小規(guī)模的脊髓融合是建立外周神經(jīng)系統(tǒng)體外模型的第一步，而這在活體患者或動(dòng)物模型中很難研究。

考夫曼說(shuō)：“體外周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)的發(fā)展(脊髓，外生物和神經(jīng)支配的肌肉)可以使研究人員實(shí)時(shí)研究ALS等神經(jīng)退行性疾病，并且更容易獲得所有受影響的成分。”“從作為真正的生物組織制成的練習(xí)假人到實(shí)際幫助執(zhí)行手術(shù)本身的方法，還有多種方法可以用作外科手術(shù)訓(xùn)練工具。目前，這些應(yīng)用還處于相當(dāng)遙遠(yuǎn)的位置未來(lái)，但納入完整的脊髓回路是向前邁出的重要一步。”