«Биологическая активация, управляемая клетками, является фундаментальной потребностью для любого вида биологической машины, которую вы хотите построить», — сказал руководитель исследования Рашид Башир, профессор Абеля Блисса и глава отдела биоинженерии в Университете I. «Мы пытаемся объединить их. принципы инженерии с биологией таким образом, чтобы их можно было использовать для проектирования и разработки биологических машин и систем для экологических и медицинских приложений. Биология чрезвычайно мощна, и если мы каким-то образом сможем научиться использовать ее преимущества для полезных приложений, она может привести к много замечательных вещей ".Группа Башира была пионером в разработке и создании биоботов размером менее сантиметра, сделанных из гибких трехмерных печатных гидрогелей и живых клеток. Ранее группа демонстрировала биоботов, которые «ходят» самостоятельно, питаясь от клеток сердца крыс.
Однако клетки сердца постоянно сокращаются, что лишает исследователей возможности контролировать движения бота. Это затрудняет использование сердечных клеток для создания биобота, который можно включать и выключать, ускорять или замедлять.
Новые биоботы питаются от полоски клеток скелетных мышц, которые запускаются электрическим импульсом. Это дает исследователям простой способ управлять биоботами и открывает возможности для других принципов перспективного проектирования, так что инженеры могут настраивать биоботов для конкретных приложений.«Клетки скелетных мышц очень привлекательны, потому что вы можете управлять ими, используя внешние сигналы», — сказал Башир. «Например, вы могли бы использовать скелетные мышцы при разработке устройства, которое вы хотели бы начать работать, когда оно обнаруживает химическое вещество или получает определенный сигнал.
Для нас это часть набора инструментов для проектирования. Мы хотим иметь различные варианты, которые могли бы инженеры могут использовать их для разработки этих вещей ".Дизайн вдохновлен природным комплексом мышцы-сухожилия-кость. Основа из гидрогеля с трехмерной печатью, достаточно прочная, чтобы дать структуру биобота, но достаточно гибкую, чтобы сгибаться, как сустав.
Две стойки служат для прикрепления полосы мышц к позвоночнику, как сухожилия прикрепляют мышцы к кости, но стойки также действуют как ступни для биобота.Скорость бота можно контролировать, регулируя частоту электрических импульсов. Более высокая частота заставляет мышцы сокращаться быстрее, что ускоряет продвижение биобота, как показано в этом видео.«Вполне естественно, что мы начнем с принципа биомиметического дизайна, такого как естественная организация опорно-двигательного аппарата, в качестве отправной точки», — сказала аспирантка Кэролайн Цветкович, соавтор статьи. «Эта работа представляет собой важный первый шаг в разработке и управлении биологическими машинами, которые можно стимулировать, обучать или программировать для выполнения работы.
Приятно думать, что эта система может в конечном итоге превратиться в поколение биологических машин, которые могут помочь в создании лекарств. доставка, хирургическая робототехника, «умные» имплантаты или мобильные анализаторы окружающей среды и множество других приложений ».Затем исследователи будут работать над получением еще большего контроля над движением биоботов, например, интегрируя нейроны, чтобы биоботов можно было направлять в разные стороны с помощью световых или химических градиентов.
С инженерной точки зрения они надеются разработать основу из гидрогеля, которая позволит биоботу двигаться в разных направлениях на основе разных сигналов. Благодаря трехмерной печати инженеры могут быстро исследовать различные формы и конструкции. Башир и его коллеги даже планируют интегрировать модуль в учебный план лаборатории бакалавриата, чтобы студенты могли разрабатывать различные виды биоботов.«Цель« строительства с биологией »не нова — исследователи тканевой инженерии уже много лет работают над реконструированием естественных тканей и органов, и это очень многообещающе для медицинских приложений», — сказала аспирантка Риту Раман, соавтор. -первый автор статьи. «Но зачем останавливаться на достигнутом?
Мы можем выйти за рамки этого, используя динамические способности клеток к самоорганизации и реагированию на сигналы окружающей среды, чтобы разрабатывать неприродные биологические машины и системы.«Идея создания перспективных инженерных решений с использованием этих структур на основе ячеек очень захватывающая», — сказал Башир. «Наша цель состоит в том, чтобы эти устройства использовались в качестве автономных датчиков. Мы хотим, чтобы они ощущали определенное химическое вещество и двигались к нему, а затем выделяли вещества для нейтрализации токсина, например. Контроль срабатывания — большой шаг вперед к эта цель ".
Национальный научный фонд поддержал эту работу через грант Центра науки и технологий (Emergent Behavior of Integrated Cellular Systems) в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, Технологическим институтом Джорджии и другими партнерскими учреждениями. Профессор машиностроения и инженерии Тахер Саиф также был соавтором. Башир также связан с Лабораторией микро- и нанотехнологий, отделом электротехники и вычислительной техники, а также механики и инженерии, Лабораторией исследования материалов Фредерика Зейтца и Институтом геномной биологии Университета И.