日本理化學(xué)研究所（RIKEN）生物系統(tǒng)動力學(xué)研究中心（BDR）的科學(xué)家利用能夠持續(xù)提供數(shù)分鐘高收縮力的蚯蚓肌肉組織，開發(fā)出了第一個由活細(xì)胞驅(qū)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS）與生物材料結(jié)合起來實現(xiàn)所謂的“生物MEMS（Bio-MEMS）”。生物MEMS有許多應(yīng)用，包括從改善藥物輸送、光學(xué)和電化學(xué)傳感器到芯片器官等等。來自RIKEN BDR和東京電氣大學(xué)（Tokyo Denki University）的研究團(tuán)隊一直致力于開發(fā)一種由真實肌肉驅(qū)動的生物MEMS，或能用于外科植入物。基于其片上微泵設(shè)計，這項新研究是對“片上肌肉驅(qū)動閥”概念的驗證。

在機(jī)械領(lǐng)域，執(zhí)行器是通過動力源使其運動來實現(xiàn)機(jī)構(gòu)控制的機(jī)械部分，例如閥門的打開和關(guān)閉。執(zhí)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(tǒng)中，使用肌肉作為執(zhí)行器的主要優(yōu)勢是它們可以像在生物體中一樣，以相同的化學(xué)方式供能。對于肌肉來說，收縮信號來自由神經(jīng)元遞送的化學(xué)分子乙酰膽堿，而收縮能量來源則是肌肉細(xì)胞內(nèi)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(xué)驅(qū)動閥不同，我們的‘肌肉驅(qū)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(yī)療應(yīng)用。”

該研究團(tuán)隊早期確定了當(dāng)用極少量的乙酰膽堿刺激時，1cm x 3cm蚯蚓肌片可以產(chǎn)生持續(xù)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(shù)據(jù)，他們在2cm x 2cm的微芯片上構(gòu)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(jìn)行控制。

為了測試該系統(tǒng)，他們使用顯微鏡來監(jiān)測流過微通道的液體，液體中包含熒光標(biāo)記的微粒。當(dāng)向蚯蚓肌肉片應(yīng)用乙酰膽堿時，肌肉產(chǎn)生收縮，所產(chǎn)生的力施加到微通道阻擋塊，并將其向下推以關(guān)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(xiàn)在我們已經(jīng)證明了‘片上肌肉驅(qū)動閥’是可行的，我們將進(jìn)一步改進(jìn)，使其變得更加實用，”Tanaka說，“一種選擇是使用培養(yǎng)的肌肉細(xì)胞。這樣可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)，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(chǎn)生的力有可能降低?！?/p>