首个由活细胞驱动的MEMS微芯片阀门,不需要任何外部电源

日本理化学研究所（RIKEN）生物系统动力学研究中心（BDR）的科学家利用能够持续提供数分钟高收缩力的蚯蚓肌肉组织，开发出了第一个由活细胞驱动的MEMS微芯片阀门，并且与电控阀门不同，这款微芯片阀门不需要电池等任何外部电源。

几十年来，研究人员一直在尝试将微机电系统（MEMS）与生物材料结合起来实现所谓的“生物MEMS（Bio-MEMS）”。生物MEMS有许多应用，包括从改善药物输送、光学和电化学传感器到芯片器官等等。来自RIKEN BDR和东京电气大学（Tokyo Denki University）的研究团队一直致力于开发一种由真实肌肉驱动的生物MEMS，或能用于外科植入物。基于其片上微泵设计，这项新研究是对“片上肌肉驱动阀”概念的验证。

在机械领域，执行器是通过动力源使其运动来实现机构控制的机械部分，例如阀门的打开和关闭。执行器需要能源和控制信号，这些信号通常是电流或某种流体压力。在生物MEMS系统中，使用肌肉作为执行器的主要优势是它们可以像在生物体中一样，以相同的化学方式供能。对于肌肉来说，收缩信号来自由神经元递送的化学分子乙酰胆碱，而收缩能量来源则是肌肉细胞内存在的三磷酸腺苷（ATP）。

“我们的生物MEMS不仅可以在没有外部电源的情况下工作，而且与其他由酸控制的化学驱动阀不同，我们的‘肌肉驱动阀’基于生物体中蕴含丰富的分子，”来自RIKEN BDR的论文第一作者Yo Tanaka说，“这使它具有生物友好性，特别适用于那些难以用电或不建议使用电力的医疗应用。”

该研究团队早期确定了当用极少量的乙酰胆碱刺激时，1cm x 3cm蚯蚓肌片可以产生持续2分钟的约1.5毫牛顿（milli-newton）的平均收缩力。利用这些研究数据，他们在2cm x 2cm的微芯片上构建了一个微流体通道和阀门，可以通过蚯蚓肌片的收缩/松弛来进行控制。

为了测试该系统，他们使用显微镜来监测流过微通道的液体，液体中包含荧光标记的微粒。当向蚯蚓肌肉片应用乙酰胆碱时，肌肉产生收缩，所产生的力施加到微通道阻挡块，并将其向下推以关闭阀门，这成功地阻止了微液体的流动。然后，洗去乙酰胆碱，肌肉松弛，阀门重新打开，液体再次流动。

“现在我们已经证明了‘片上肌肉驱动阀’是可行的，我们将进一步改进，使其变得更加实用，”Tanaka说，“一种选择是使用培养的肌肉细胞。这样可以实现批量生产，在形状方面更好控制、更灵活。不过，与真正的肌肉片相比，需要注意这种方案所产生的力有可能降低。”