Forskare vid RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research (BDR) i Japan har utvecklat den första mikrochipsventilen som drivs av levande celler. Daggmaskens muskelvävnad tillät en hög sammandragningskraft som kunde upprätthållas i minuter, och till skillnad från elektriskt styrda ventiler, krävde ingen extern strömkälla som batterier.

I flera decennier, forskare har försökt kombinera mikroelektromekaniska system (MEMS) med levande material. Bio-MEMS har många applikationer, allt från förbättrad läkemedelstillförsel och optiska och elektrokemiska sensorer till organ-on-chips. Teamet av forskare från RIKEN BDR och Tokyo Denki University har utvecklat ett bio-MEMS som drivs av riktiga muskler, vilket kan vara användbart i kirurgiska implantat. Bygger på deras on-chip mikropumpdesign, den nya studien är proof-of-conceptet för en on-chip muskeldriven ventil.

inom mekanik, ett ställdon är den del av en maskin som styr en mekanism genom att få den att röra sig, såsom öppning och stängning av en ventil. Ställdon kräver en strömkälla och en styrsignal, som vanligtvis är elektrisk ström eller något slags vätsketryck. Den största fördelen med att använda muskler som manöverdon i bio-MEM-system är att de kan drivas på samma sätt som de är i levande kroppar:kemiskt. För muskler, signalen för sammandragning är molekylen acetylkolin – som levereras av neuroner – och energikällan är adenosintrifosfat (ATP) – som finns inuti muskelcellerna.

"Inte bara kan vårt bio-MEMS fungera utan en extern strömkälla, men till skillnad från andra kemiskt drivna ventiler som styrs av syror, vår muskeldrivna ventil körs på molekyler som är naturligt förekommande i levande organismer, " säger första författaren Yo Tanaka från RIKEN BDR. "Detta gör den biovänlig och särskilt lämpad för medicinska tillämpningar där det är svårt att använda el eller inte rekommenderas."

Teamet fastställde initialt att ett litet 1 cm x 3 cm ark av daggmaskmuskler kunde producera en genomsnittlig sammandragningskraft på cirka 1,5 milli-newton under en 2-minutersperiod när den stimulerades av en mycket liten mängd acetylkolin. Med hjälp av denna data, de bygger en mikrovätskekanal och ventil på ett 2 cm x 2 cm mikrochip som kan kontrolleras genom sammandragning/avslappning av daggmaskmuskeln.

För att testa systemet, de använde ett mikroskop för att övervaka fluorescensmärkta mikropartiklar i vätska när de strömmade genom mikrokanalen. När acetylkolin applicerades, muskeln drog ihop sig. Den resulterande kraften överfördes till en stång som trycktes ned för att stänga ventilen, som framgångsrikt stoppade vätskeflödet. När acetylkolin tvättades bort, muskeln avslappnad, ventilen öppnade igen, och vätskan rann igen.

"Nu när vi har visat att on-chip muskeldrivna ventiler är möjliga, vi kan arbeta med förbättringar som gör det praktiskt, ", säger Tanaka. "Ett alternativ är att använda odlade muskelceller. Detta kan möjliggöra massproduktion, bättre kontroll, och flexibilitet vad gäller form. Dock, vi måste ta hänsyn till minskningen av mängden kraft som kan produceras på detta sätt jämfört med riktiga muskelskikt." Studien publicerades i Vetenskapliga rapporter den 8 juli.