麻省理工學(xué)院的新型生物制造技術(shù)可用于多向人造肌肉組織和3D打印眼睛

2025年3月20日，南極熊獲悉，麻省理工研究人員宣稱正在采用一種全新的方法來培育能夠在多個方向收縮的人造肌肉組織，比以往更接近地模仿自然肌肉的運(yùn)動。

△研究人員開發(fā)出一種人造肌肉驅(qū)動結(jié)構(gòu)，它既可以向心拉動，也可以向徑向拉動，模仿人眼虹膜擴(kuò)張和收縮瞳孔

該團(tuán)隊沒有依賴傳統(tǒng)、復(fù)雜的制造方法，而是采用了一種出奇簡單的方法，使用3D打印印章在柔軟的水凝膠中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化凹槽。這些凹槽引導(dǎo)肌肉細(xì)胞生長，確保它們排列成可以在多個方向上收縮的功能性纖維。

這項研究由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系尤金貝爾組織工程職業(yè)發(fā)展教授Ritu Raman領(lǐng)導(dǎo)。研究資金由美國海軍研究辦公室(ONR)、美國陸軍研究辦公室、美國國家科學(xué)基金會(NSF)和美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)提供。

△這項技術(shù)已發(fā)表在《生物材料科學(xué)》雜志上，題目為“利用微地形構(gòu)建多向肌肉執(zhí)行器”（傳送門）

人造虹膜可控制肌肉收縮

該研究的核心是通過微地形圖案化（STAMP）對執(zhí)行器進(jìn)行簡單模板化，這是一種以微觀精度塑造肌肉生長的制造工藝。

為了驗證這種方法的可行性，研究人員設(shè)計了一種人工虹膜，這是一類生物混合執(zhí)行器，旨在模仿人眼瞳孔的擴(kuò)張和收縮機(jī)制。該結(jié)構(gòu)集成了兩種不同排列的肌肉纖維：一種形成同心圓，另一種呈放射狀。在光刺激下，這兩種纖維協(xié)同作用，產(chǎn)生受控的收縮反應(yīng)，展現(xiàn)出工程肌肉組織中罕見的協(xié)調(diào)性。

自然肌肉纖維的生長方向并不是完全直線的；它們在人體中以不同的方向生長，從而能夠?qū)崿F(xiàn)各種運(yùn)動。然而，傳統(tǒng)的人造肌肉設(shè)計通常僅限于單向拉伸。這一限制使得開發(fā)能夠執(zhí)行復(fù)雜多軸運(yùn)動的生物混合執(zhí)行器變得極具挑戰(zhàn)性。借助STAMP（空間定位肌肉生長）技術(shù)，肌肉的生長模式現(xiàn)在可以更加復(fù)雜，從而使人造組織的功能更加接近自然組織的功能。

△通過微地形圖案(STAMP)對執(zhí)行器進(jìn)行簡單模板化。首先，他們用3D打印出一個小型手持式印章（上圖），印章上有微小的凹槽，每個凹槽都小到一個細(xì)胞。然后，他們將印章壓入柔軟的水凝膠中，并在產(chǎn)生的凹槽中植入真正的肌肉細(xì)胞。細(xì)胞沿著水凝膠中的這些凹槽生長，形成纖維（下圖）

可及性是開發(fā)壓模工藝的關(guān)鍵。研究人員利用高分辨率3D打印技術(shù)制作了帶有微觀凹槽的壓模，這些凹槽的尺寸與單個肌肉細(xì)胞相匹配。通過在印章上施加蛋白質(zhì)涂層，確保在不損壞材料的情況下，肌肉能夠干凈地轉(zhuǎn)移到水凝膠上。一旦肌肉被壓入指定位置，印章即為肌肉纖維提供了一個精確的生長藍(lán)圖。這導(dǎo)致了形成一個能夠長期維持功能的結(jié)構(gòu)化組織網(wǎng)絡(luò)。

此外，計算建模在驗證這一技術(shù)方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。模擬預(yù)測，使用STAMP方法生長的肌肉纖維將以協(xié)調(diào)、多方向的方式收縮，這一預(yù)測已通過實驗測試得到證實。

△STAMP對肌肉成熟和纖維形態(tài)的影響

實驗結(jié)果

人造虹膜能夠以一種與人類眼睛中自然發(fā)生的瞳孔收縮功能非常相似的方式進(jìn)行控制。盡管這項研究專注于骨骼肌，但該方法并不局限于一種細(xì)胞類型。研究人員相信，它也可以適用于神經(jīng)元、心肌細(xì)胞和其它組織，以創(chuàng)造結(jié)構(gòu)精確的生物工程材料。

展望未來，研究團(tuán)隊對醫(yī)學(xué)以外的應(yīng)用前景充滿期待。基于肌肉的執(zhí)行器可以為軟機(jī)器人中的剛性機(jī)械部件提供節(jié)能的替代品，尤其是在靈活性至關(guān)重要的環(huán)境中。能夠執(zhí)行多自由度（multi-DOF）運(yùn)動的能力，將使生物混合機(jī)器人在適應(yīng)性和動態(tài)性方面更加出色。