Laufender Biomechanismus aus Elementen, die auf einem 3D-Drucker gedruckt wurden, und künstlich gewachsenen Skelettmuskeln • Yuliya Kondratenko • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Biomechanik

Laufender Biomechanismus, der aus Elementen erstellt wurde, die auf einem 3D-Drucker und künstlich gewachsenen Skelettmuskeln gedruckt wurden.

Abb. 1. Das Design des Gehmechanismus ähnelt zwei Teilen einer Gliedmaße, die durch ein Gelenk verbunden sind. Die Rolle von "Knochen" und "Sehnen" wurde von einem Teil auf einem 3D-Drucker gedruckt, die Muskeln wurden unter Laborbedingungen aus Maus-Myoblasten gezüchtet. Abbildung von zusätzlichen Materialien zum diskutierten Artikel

Amerikanische Forscher haben einen einfachen Gehmechanismus entwickelt, der das Gerät aus zwei Teilen einer Gliedmaße reproduziert, die durch ein Gelenk verbunden sind. Muskelkontraktionen werden durch zwei "Beine" bereitgestellt, die an ihren Enden an einer flexiblen Platte befestigt sind. Dieses einfache Gerät bewegt sich unter Einwirkung von elektrischen Impulsen, die mit einer bestimmten Frequenz in das Nährmedium, in dem es sich befindet, eingespeist werden.

Früher dachten wir an Roboter als komplexe Metallstrukturen mit streng kontrolliertem und vorhersagbarem Verhalten. Um solche Maschinen mit traditionellen Produktionsmethoden zu schaffen, können Techniken und Vorgehensweisen für das Arbeiten mit dem Material aus der Automobilindustrie und Elektronik ausgeliehen werden. Allerdings sind Metallroboter nicht in der Lage, eine Reihe von heiklen Aufgaben zu bewältigen (ein lustiges Beispiel ist das ungelöste Problem bei der Automatisierung von Eierverpackungen).Zusätzlich zu den Schwierigkeiten bei der Ausführung individueller Aufgaben haben Metallroboter mehr globale Probleme, die ihre weitverbreitete Anwendung behindern. Insbesondere macht der starre Körper das Design des Roboters haltbar und zuverlässig, aber nicht sicher für die Lebewesen in seiner Umgebung. Das Auftreten von Metallrobotern in Wohnungen und Büros könnte die Schaffung eines komplexen Verkehrssystems erfordern, ähnlich dem System von Autobahnen, und sogar die Einführung geeigneter Verkehrsregeln. Ein anderes grundsätzliches Problem bei solchen Robotern ist die Schwierigkeit, eine große Anzahl von Freiheitsgraden zu erzeugen. Die Bewegungen von Metallrobotern sind noch ziemlich primitiv, so dass die Entwicklung der "Körper" von Robotern immer noch deutlich hinter dem Entwicklungsniveau ihrer "Gehirne" zurückbleibt, die Programmierer bereits lehren können, relativ flexibel zu denken.

Vor diesem Hintergrund erscheint ein neuer Bereich der Roboterentwicklung – die Schaffung von Soft Robotern mit flexiblen Gehäusen ohne starre Gelenkstrukturen – vielversprechend. Viele Designer solcher Roboter sind von der Natur inspiriert. So haben italienische Forscher künstliche Analoga von Oktopus-Tentakeln geschaffen,und amerikanische Wissenschaftler haben kürzlich einen weichen Roboterfisch konstruiert, indem sie verschiedene Portionen Kohlendioxid in die Hohlräume seines Körpers fütterten.

Ein noch interessanterer Ansatz zur Entwicklung weicher Roboter ist die Entwicklung von Biotechnik mit künstlich gewachsenem Gewebe. Auf diese Weise wurde bereits eine künstliche Qualle, die aus auf Silikon basierenden Herzmuskeln erzeugt wurde, erhalten. Aufgrund ihrer Fähigkeit, sich spontan zusammenzuziehen, sind Herzmuskeln jedoch nicht das beste Material, um Roboter mit kontrolliertem Verhalten zu erzeugen. Es erscheint vielversprechender, Skelettmuskeln zu verwenden, die von der Natur entwickelt wurden, um willkürliche Bewegungen auszuführen, einschließlich bewusst gesteuerter Bewegungen.

Amerikanische Forscher von mehreren Universitäten haben die einfachste Konstruktion für ihren Biomechanismus gewählt, indem sie das Gerät aus zwei Gliedmaßen, die durch ein Gelenk verbunden sind, reproduzieren (Abb. 1). Die Kontraktionen des Muskels, die an ihren Enden durch zwei "Beine" an der flexiblen Platte befestigt sind, biegen sie. Wenn die "Beine" unterschiedlich lang sind, macht das Design nach dem Entspannen der Muskeln einen Schritt in Richtung kürzerer "Beine".Die den Sehnen des Gelenks entsprechenden Beine und die sie verbindende Platte, die den Knochen im Gelenk entsprechen, ersetzten ein einzelnes Stück, das auf einem 3D-Hydrogeldrucker gedruckt wurde, und der den Knochen entsprechende Teil wurde weniger flexibel und die den Sehnen entsprechenden Teile waren flexibler. flexibel.

Dann wurde zwischen den Beinen des Mechanismus eine Suspension von Maus-Myoblasten in einem Gel aufgetragen, das die Komponenten der natürlichen extrazellulären Matrix enthielt: Laminin, Entactin, Kollagen, Fibrinogen und Thrombin. Für das normale Funktionieren künstlicher Muskeln könnten auch Insulin-like growth factor-1 (IGF-1) und Proteaseinhibitoren, von Zellen sezernierte Enzyme, benötigt werden, die die Struktur der künstlichen Matrix um sie herum stören könnten. In einer solchen Matrix können sich Zellen vermehren und die Struktur des resultierenden Muskels ist flexibel genug, um sie zu reduzieren. Durch Variation der Konzentration von Zellen und Komponenten der Matrix in Suspension ist es möglich, die Eigenschaften des Muskels zu beeinflussen, und die Veränderung der Menge an IGF-1 im Medium beeinflusst die Geschwindigkeit seiner Reifung. Es ist wichtig, dass bei Abwesenheit von Blutgefäßen in einem so einfachen System nur ein ausreichend dünner Muskel erhalten werden kann, da sonst der Zugang von Sauerstoff zu den Zellen in seinem zentralen Teil schwierig wird (Abb. 2).

Abb. 2 Wachsende künstliche Muskeln für Biomechanismen. Längenskalierungslinien 1 mm. Abbildung aus dem Artikel zur Diskussion

Dieses einfache Gerät bewegt sich unter Einwirkung von elektrischen Impulsen, die mit einer bestimmten Frequenz in das Nährmedium, in dem es sich befindet, eingespeist werden. Andere Methoden der Kontrolle können auf Skelettmuskelvorrichtungen angewendet werden, wie zum Beispiel optogenetisch, wenn Muskelkontraktionen durch Belichtung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge ausgelöst werden (siehe Mahmut Sakar et al., 2012. Formation und optogenetische Kontrolle von 3D-Skelettmuskel-Bioaktuatoren). Dazu müssen Muskeln aus Myoblasten gezüchtet werden, in die das Gen des kationischen Kanals Rhodopsin-2 eingeführt wird, das bei Bestrahlung mit blauem Licht Kationen in die Zelle auslöst. Wenn Calciumkationen in die Zelle eindringen, zieht sich der Muskel zusammen.

Bioroboter, die durch externe Signale gesteuert werden, sind vielversprechende Ziele für zukünftige Entwicklungen. In diesem Fall ist die Einfachheit des Modells von Interesse; Das Modell kann jedoch kompliziert sein, zum Beispiel durch Hinzufügen anderer Arten von Zellen. Es wäre gut, das Wachstum der Blutgefäße zu erreichen, so dass Sie die Muskeldicke und die Innervation erhöhen können, was unglaublich interessante Perspektiven für die Reaktion von Bio-Robotern auf äußere Reize bieten würde.Die Innervation künstlicher Gewebe ist immer noch schwierig, aber mit dem Wachstum von Gefäßen in künstlichen Organen ist ein gewisser Erfolg verbunden (siehe Der im Labor gezüchtete Leberkeim hat sich in der Maus zu einem funktionsfähigen Organ entwickelt, Elements, 28. August 2013).

Abb. 3 "Hundertfüßer" basierend auf der Kombination mehrerer Wandermodule. Längenskalierungslinien 2 mm. Abbildung von zusätzlichen Materialien zum diskutierten Artikel

Es ist auch möglich, aus solchen einfachen Modulen amüsante mehrbeinige Biomechanismen zusammenzustellen, deren Skizzen die Autoren an ihren Artikel anhängen (Abb. 3). Der 3D-Druck ist bereits weit verbreitet, und es kann sein, dass die Tage, an denen sich die biotechnischen Kreise amüsieren, in jeder Schule erscheinen werden, die sich selbst respektiert.

Quelle: C. Cvetkovic et al. Skelettmuskulatur PNAS. 2014. DOI: 10.1073 / pnas.1401577111.

Julia Kondratenko


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