小鼠细胞3D打印肌肉助力生物机器人发展

智东西5月6日报道，美国研究人员利用实验室培养的小鼠细胞制成3D打印肌肉，构建了生物机器人，该系统由大鼠脊柱提供动力。这一研究有望推动生物疾病治疗，并应用于假肢制造。

生物机器人不同于传统机器人，其结构由有生命的材料构成，而非金属材料。它们模仿自然界的动物运动，通过将微电极植入动物相关的大脑核团或方向感受区，施加人工模拟的神经电信号来控制运动行为。

与传统仿生机器人相比，生物机器人在动力供应、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面具有显著优势。例如，佛蒙特大学与塔夫茨大学的研究人员借助退化算法，利用非洲爪蟾的皮肤细胞和心脏细胞制造出一种名为Xenobots的新型“活体机器人”。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Collin Kaufman及其团队，使用实验室培养的小鼠细胞制成3D打印肌肉，构建了生物机器人。尽管3D打印肌肉本身功能有限，但需要通过特定方式对其进行控制。

研究人员并未将这些3D打印肌肉连接到电子控制系统上，而是利用大鼠脊柱中控制后腿的部分来操控肌肉。在脊椎动物中，复杂的运动任务主要由脊髓和脑干网络控制。

以往针对骨骼肌的研究通常采用C2C12成肌细胞来研究肌肉分化、力量产生及神经肌肉相互作用。但目前一些研究完全通过外部控制机制，如外加电场、光遗传学或化学刺激，绕过了运动神经元输入到肌肉的过程。然而，神经元和肌肉在单独培养或共同培养时表现出不同的行为。因此，为了建立体外的神经肌肉接点模型，将这些细胞共培养非常重要，以便在体外形成自发性组织和多细胞相互作用。

完整的大鼠脊髓从头部到尾部分为三个解剖区域：颈椎、胸椎和腰椎。腰椎区域是尾椎脊髓的一个开阔部分，是下肢神经的附着点。中枢模式发生器（CPG）是脊髓内复杂的振荡网络，控制一系列有节奏的动作，从运动到呼吸。

四足运动需要在肢体内部及同侧和对侧肢体之间协调屈伸肌。这由称为CPG的脊髓回路完成。CPG是一种大致对称的回路，通常由外侧兴奋性中间神经元和内侧抑制性中间神经元组成，输入到腹外侧胆碱能运动神经元。

当研究人员将大鼠脊柱与3D肌肉相连时，脊柱将神经元延伸到肌肉中，并开始通过肌肉发送电信号，使肌肉收缩。脊柱和肌肉被连接在一个敏感的支架上，支架的两条手臂垂直于脊椎伸出，这样当肌肉收缩时，支架就会弯曲，两臂则指向彼此。

研究表明，使用生理完整的脊髓驱动图案化的肌肉收缩，实现了第一个全功能3D神经肌肉连接的工程设计。

Kaufman表示：“大鼠脊髓在离开身体一个多星期后，仍能识别3D肌肉，并在体内实现肌肉有规律的收缩。肌肉的收缩可以通过在系统中添加或删除神经递质来控制。”

众所周知，这些构成周围神经系统的脊柱神经元很难在活体动物中进行研究。因此，对于这类神经元的疾病，如肌萎缩性侧索硬化症（ALS），难以被理解。Kaufman认为，这样的系统可以使实时研究这些疾病的进展变得更加容易。

该机器人只有大约6毫米长，由于体积过小，肌肉很难将营养物质输送到所有组织，因此这项研究面临较大挑战。然而，一旦研究人员找到扩大系统的方法，它就能应用于其他医学用途。

由大鼠脊柱制成的机器人可用于研究疾病在组织中的传播过程，并最终有助于生物疾病的修复。Kaufman认为，未来这种形式可以用于假肢的使用，但这可能需要用实验室培养的人体组织来实现，而不是老鼠的脊柱。因为没有人愿意拥有一只可怕的老鼠脊柱制成的手。

结论：未来假肢有望受人体脊柱神经元控制

小鼠细胞制成的3D打印肌肉构造的生物机器人可通过大鼠脊柱神经元进行控制，而此类系统有望应用于假肢制造。应用人类脊柱神经元控制假肢成为可能。

消息来源：NewScientist

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