En ventil på en 2 × 2 cm chip drevet af regnormemuskel. (øverst) Udformning af ventilen set oppefra. Et ark regnormemuskel dækker en pushbar, der sidder over en mikrokanal. (nederst) Tværsnitsbilleder gennem mikrokanalen, når ventilen er åben (venstre) og lukket (højre). Stillbilleder af fluorescerende mærkede mikropartikler blev taget fra videoklippet øverst i artiklen. Kredit:RIKEN
Forskere ved RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research (BDR) i Japan har udviklet den første mikrochipventil drevet af levende celler. Regnorme muskelvæv tillod en høj kontraktil kraft, der kunne opretholdes i minutter, og i modsætning til elektrisk styrede ventiler, krævede ikke nogen ekstern strømkilde såsom batterier.
I flere årtier, forskere har forsøgt at kombinere mikroelektromekaniske systemer (MEMS) med levende materiale. Bio-MEMS har mange applikationer, lige fra forbedret lægemiddellevering og optiske og elektrokemiske sensorer til organer-på-chips. Holdet af forskere fra RIKEN BDR og Tokyo Denki University har udviklet et bio-MEMS, der er drevet af ægte muskler, som kunne være nyttige i kirurgiske implantater. Bygger på deres on-chip mikropumpe design, den nye undersøgelse er proof-of-concept for en on-chip muskel-drevet ventil.
I mekanik, en aktuator er den del af en maskine, der styrer en mekanisme ved at få den til at bevæge sig, såsom åbning og lukning af en ventil. Aktuatorer kræver en strømkilde og et styresignal, som typisk er elektrisk strøm eller en form for væsketryk. Den største fordel ved at bruge muskler som aktuatorer i bio-MEM-systemer er, at de kan drives på samme måde, som de er i levende kroppe:kemisk. For muskler, signalet for sammentrækning er molekylet acetylcholin – som leveres af neuroner – og energikilden er adenosintrifosfat (ATP) – som findes inde i muskelcellerne.
"Ikke kun kan vores bio-MEMS fungere uden en ekstern strømkilde, men i modsætning til andre kemisk drevne ventiler, der styres af syrer, vores muskeldrevne ventil kører på molekyler, der er naturligt rigelige i levende organismer, " siger førsteforfatter Yo Tanaka fra RIKEN BDR. "Dette gør det biovenligt og særligt velegnet til medicinske anvendelser, hvor brugen af elektricitet er vanskelig eller ikke tilrådes."
Holdet fastslog oprindeligt, at en lille 1 cm x 3 cm plade regnormemuskel kunne producere en gennemsnitlig sammentrækningskraft på omkring 1,5 milli-newtons over en 2-minutters periode, når den blev stimuleret af en meget lille mængde acetylcholin. Ved at bruge disse data, de bygger en mikrovæskekanal og ventil på en 2 cm x 2 cm mikrochip, der kunne styres af regnormes muskelsammentrækning/afspænding.
For at teste systemet, de brugte et mikroskop til at overvåge fluorescensmærkede mikropartikler i væske, når de strømmede gennem mikrokanalen. Når acetylcholin blev påført, musklen trak sig sammen. Den resulterende kraft blev transduceret til en stang, der blev skubbet ned for at lukke ventilen, som med succes stoppede væskestrømmen. Når acetylcholin blev vasket væk, musklen slapper af, ventilen åbnede igen, og væsken flød igen.
"Nu hvor vi har vist, at on-chip muskeldrevne ventiler er mulige, vi kan arbejde på forbedringer, der gør det praktisk, " siger Tanaka. "En mulighed er at bruge dyrkede muskelceller. Dette kan muliggøre masseproduktion, bedre kontrol, og fleksibilitet med hensyn til form. Imidlertid, vi bliver nødt til at tage højde for reduktionen i mængden af kraft, der kan produceres på denne måde sammenlignet med rigtige muskelplader." Undersøgelsen blev offentliggjort i Videnskabelige rapporter den 8. juli.