首個由蚯蚓肌肉驅動的生物MEMS微芯片閥門

　　日本理化學研究所（RIKEN）生物系統動力學研究中心（BDR）的科學家利用能夠持續提供數分鐘高收縮力的蚯蚓肌肉組織，開發出了第一個由活細胞驅動的MEMS微芯片閥門，并且與電控閥門不同，這款微芯片閥門不需要電池等任何外部電源。

　　據麥姆斯咨詢報道，日本理化學研究所（RIKEN）生物系統動力學研究中心（BDR）的科學家利用能夠持續提供數分鐘高收縮力的蚯蚓肌肉組織，開發出了第一個由活細胞驅動的MEMS微芯片閥門，并且與電控閥門不同，這款微芯片閥門不需要電池等任何外部電源。

　　幾十年來，研究人員一直在嘗試將微機電系統（MEMS）與生物材料結合起來實現所謂的“生物MEMS（Bio-MEMS）”。生物MEMS有許多應用，包括從改善藥物輸送、光學和電化學傳感器到芯片器官等等。來自RIKEN BDR和東京電氣大學（Tokyo Denki University）的研究團隊一直致力于開發一種由真實肌肉驅動的生物MEMS，或能用于外科植入物。基于其片上微泵設計，這項新研究是對“片上肌肉驅動閥”概念的驗證。

　　在機械領域，執行器是通過動力源使其運動來實現機構控制的機械部分，例如閥門的打開和關閉。執行器需要能源和控制信號，這些信號通常是電流或某種流體壓力。在生物MEMS系統中，使用肌肉作為執行器的主要優勢是它們可以像在生物體中一樣，以相同的化學方式供能。對于肌肉來說，收縮信號來自由神經元遞送的化學分子乙酰膽堿，而收縮能量來源則是肌肉細胞內存在的三磷酸腺苷（ATP）。

　　“我們的生物MEMS不僅可以在沒有外部電源的情況下工作，而且與其他由酸控制的化學驅動閥不同，我們的‘肌肉驅動閥’基于生物體中蘊含豐富的分子，”來自RIKEN BDR的論文第一作者Yo Tanaka說，“這使它具有生物友好性，特別適用于那些難以用電或不建議使用電力的醫療應用。”

　　該研究團隊早期確定了當用極少量的乙酰膽堿刺激時，1cm x 3cm蚯蚓肌片可以產生持續2分鐘的約1.5毫牛頓（milli-newton）的平均收縮力。利用這些研究數據，他們在2cm x 2cm的微芯片上構建了一個微流體通道和閥門，可以通過蚯蚓肌片的收縮/松弛來進行控制。

　　奇思妙想，首個由蚯蚓肌肉驅動的生物MEMS微芯片閥門

　　為了測試該系統，他們使用顯微鏡來監測流過微通道的液體，液體中包含熒光標記的微粒。當向蚯蚓肌肉片應用乙酰膽堿時，肌肉產生收縮，所產生的力施加到微通道阻擋塊，并將其向下推以關閉閥門，這成功地阻止了微液體的流動。然后，洗去乙酰膽堿，肌肉松弛，閥門重新打開，液體再次流動。

　　“現在我們已經證明了‘片上肌肉驅動閥’是可行的，我們將進一步改進，使其變得更加實用，”Tanaka說，“一種選擇是使用培養的肌肉細胞。這樣可以實現批量生產，在形狀方面更好控制、更靈活。不過，與真正的肌肉片相比，需要注意這種方案所產生的力有可能降低。”