Sammentrækningen af kunstigt dyrkede muskler blev kontrolleret af rotte-rygmarven.
Levende organismeres mangfoldighed og fejlfri design har altid inspireret kunstnere og ingeniører. Nu kopierer robotik struktur, bevægelsesmåder og endda opførsel af levende væsener, så ideelt designet af naturen i løbet af udviklingen. For at simulere de komplekse motoriske funktioner, der er involveret i spring, svømning og løb, er robotter samlet af plastmaterialer. Robotter fremstillet af hydrogeler, blød plast og metaller som aluminium bevæger sig glat, kan gribe genstande, overvinde forhindringer og navigere under vandet.
Kunstige materialer er dog endnu ikke i stand til at overgå levende væv i funktionalitet. Derfor forsøger forskere at kombinere egenskaberne ved kunstige og biologiske væv i hybride mekaniske systemer. Hjerte- og skeletmuskelceller er allerede testet uden for kroppen.
Hjertevæv tilvejebringer rytmiske sammentrækninger og kræver ikke eksterne enheder til at starte bevægelse. Men hyppigheden af sammentrækninger ændrer sig lidt. På den anden side giver musklerne i det motoriske apparat fra levende væsener en lang række bevægelser. Hybrider af konstrueret muskelvæv med levende celler er i stand til kontinuerligt at trække sig sammen i 250 dage, men de har brug for en ekstern kontrolmekanisme. Hos hvirveldyr styres muskelsammentrækning af nervesystemet: hjernestammen og rygmarven.
Stimulering af konstrueret muskelvæv ved elektriske felter, kemikalier og lys kan ikke erstatte nervesystemets koordinerede arbejde. Et nyt arbejde fra forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign demonstrerer en hybridbiorobot, hvis kunstige muskler styres af en ægte rotte-rygmarv. Arbejdet, der blev offentliggjort i tidsskriftet APL Bioengineering, viste, at rygmarven har sammentrækningsmønstre, og inddragelse af bagagerummet i reguleringen af bevægelser er ikke påkrævet.
Tværsnit af en rotte-rygmarv, der viser neuroner.
I eksperimenter fjernede forskere rygmarven fra korsryggen hos nyfødte rotter. Musklerne i bagbenene er fastgjort til neuronerne i dette område. Muskelvæv blev dyrket på 3D-trykt polyethylenglycol (PEG) søjle "sener". Rundt om søjlerne blev der podet en gel bestående af myoblastproteiner, forløbere for kroppens muskelceller og blodproteiner. På udviklingsstadiet af kunstige muskler, der svarede til "alder" af rygmarven under naturlig embryonal vækst, var musklerne forbundet med neuronerne i den ekstraherede rotte-rygmarv.
Rotte rygmarvsneuroner forbundet med kunstige muskler.
Salgsfremmende video:
7 dage efter, at rygmarven blev indsat i det voksede muskelvæv, spirede motoriske neuroner ind i kunstige muskler og begyndte at vise elektrisk aktivitet, hvilket forårsagede sammentrækninger i musklerne. Rygmarven gengav aktiviteten i det perifere nervesystem til at kontrollere de motoriske funktioner i en levende organisme, uden for kroppen! Muskelkontraktionerne var spontane. For at inducere sammentrækninger i visse muskler blev de tilknyttede neuroner stimuleret med glutamat. Et lægemiddel med egenskaber modsat glutamat blokerede for sammentrækninger af kunstige muskler. Kombinationen af præparater gjorde det muligt at skabe et komplekst bevægelsesmønster af bioroboten med den krævede amplitude og i den krævede sekvens.
Evnen til at observere aktiviteten af rygmarven uden for kroppen kommer godt med i medicinsk forskning. For eksempel når man studerer Lou Gehrigs sygdom, også kendt som amyotrofisk lateral sklerose. Sygdommen fører til neuronal død og mulig tab af motorisk funktion. Udskiftning af muskler og væv i rygmarven med et hybridsystem, udviklet af forskere, vil hjælpe med at spore processerne for interaktion mellem syge neuroner og sunde væv. Bioroboten vil også være nyttig i træningsoperationer for fremtidige kirurger og i udviklingen af medicinske produkter.
Elena Lee
