Исследователи из Университета штата Иллинойс (https://illinois.edu/) успешно соединили 3D-напечатанный из гидрогеля скелет со спинным мозгом крысы, чтобы создать функционального шагающего «спинобота».

 

Новый метод питания биобота включает применение глутамата, нейротрансмиттера, высвобождаемого нервными клетками в головном мозге, в качестве стимулятора для узкого сокращения мышц в позвоночнике крысы, который, в свою очередь, перемещает «стопы» бота.

 

Этот метод не только управляет движением, но, похоже, спинобот имитирует частичное развитие периферической нервной системы (ПНС). Это может послужить расширению возможностей для будущих проектов, которые включают в себя сенсорные точки позвоночника в качестве механизмов контроля.

 

Предыдущие попытки интегрировать биологию крыс в биоботов опирались на процесс сокращения сердечной мышцы крысы, созданной с использованием мышечных клеток её сердца. Так, в 2007 году исследователи из Сеульского национального университета (https://en.snu.ac.kr/) создали миниатюрных крабоподобных роботов, которые питались от мышечных тканей сердца крысы. Боты работали, но сокращения мышц нельзя было контролировать напрямую, и для выживания требовался постоянный запас питательных веществ, который длился всего несколько недель.

 

Поэтому исследователи из Университета штата Иллинойс решили использовать скелетную мышцу для питания бота, потому что её клетки легче модифицировать, и она предлагает более широкий диапазон потенциальных форм поведения. Этот подход обычно требует внешней стимуляции, такой как электрические поля, оптогенетика или химическая стимуляция, чтобы управлять движением, но вместо этого исследователи использовали нейронную передачу сообщений для контроля сокращений мышц в виде спинного мозга крысы.

 

Спинной мозг крысы содержит приблизительно 200 млн. нейронов, что делает его идеальным для эксперимента. Полагая, что для воспроизводства такой сложной, многоклеточной системы с использованием эмбриоидных тел при современных научных возможностях нереально, ученые решили использовать готовую. Используемый спинной мозг был более чем в четыре раза длиннее скелета биобота, и команда была вынуждена изолировать и культивировать часть позвоночника из первого и второго поясничных позвонков.

 

При построении спинобота, была использована 3D-печать для создания полидиакрилатного гидрогельного скелета, состоящего из двух колонн, соединенных между собой гибкой балкой, причем колонны действуют как внутри сухожилия опорно-двигательного аппарата. Гель, состоящий из белков мизолбласты и внеклеточного матрикса, затем высевали вокруг столбов, чтобы сформировать твердую мышечную полосу, и когда гель затвердевал, он заставлял столбы сближаться, превращая их в мышечную ткань.

 

В начальных испытаниях спиноботу не давали никаких дополнительных модулирующих сигналов, и наблюдались спонтанные сокращения мышц, которые генерировали 10-40 микроньютонов активного напряжения в пучке. Хотя было обнаружено, что мышца сокращается спонтанно, частотой можно было управлять с помощью аппликации и последующей блокады нейротрансмиттера, нанесенного на спинной мозг. Было обнаружено, что добавление 300 мкМ глутамата к раствору вызывает отчетливое изменение характера сокращения мышц, причем сокращения происходят с более постоянными величинами и более структурированным образом.

 

И наоборот, добавление антагонистов рецептора глутамата приводило к почти полному прекращению сокращения мышц, даже если применялся дополнительный глутамат. Применение этих антагонистов вызывало торможение сверх базовых уровней, что указывает на то, что спинной мозг управлял большинством наблюдаемых спонтанных сокращений.

 

Дальнейшие подробности исследования можно найти в статье «Появление функциональных нервно-мышечных соединений в сконструированном многоклеточном биоактюаторе спинного мозга и мышц» (https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5121440), опубликованном в журнале APL Bioengineering.

В последние годы применение трехмерной биопечати в мобильной робототехнике приобрело различные формы. Например, исследователи из Корнельского университета в Нью-Йорке разработали мягкую роботизированную мышцу с помощью 3D-печати, которая способна контролировать внутреннюю температуру с помощью потоотделения. Создавая мягкие пальцевые приводы, которые могут удерживать воду и реагировать на температуру, исследователи стремились дать возможность автономным роботам работать в течение более длительных периодов времени.

 

Ученые из Института биоинженерии Каталонии (IBEC - http://www.ibecbarcelona.eu/) использовали 3D-биопечать для изготовления «мышц». Эксперимент также был разработан для разработки клеточных структур, которые могли бы развивать усисиле и потенциально захватывать или ходить по поверхности, используя биоактуаторы, сделанные из ткани скелетных мышц.

 

В августе прошлого года исследователи из Делфтского технологического университета (TU Delft - https://www.tudelft.nl/en/) в Нидерландах создали многоцветные датчики с 3D-печатью, чтобы помочь самосознанию и адаптируемости мягких роботов. Сделанные из очень гибких материалов, мягкие роботы способны к естественным движениям, подобным тем, которые присущи живым организмам.

 

Источник: https://3dprintingindustry.com/news/university-of-illinois-researchers-create-walking-biobot-by-combining-3d-printed-hydrogel-skeleton-with-rat-spinal-cord-171525/