Wetenschappers van het RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research (BDR) in Japan hebben de eerste microchipklep ontwikkeld die wordt aangedreven door levende cellen. Het spierweefsel van de regenworm zorgde voor een hoge contractiele kracht die minutenlang kon worden volgehouden, en in tegenstelling tot elektrisch gestuurde kleppen, geen externe voedingsbron zoals batterijen nodig.

Sinds enkele decennia is onderzoekers hebben geprobeerd micro-elektromechanische systemen (MEMS) te combineren met levend materiaal. Bio-MEMS hebben veel toepassingen, variërend van verbeterde medicijnafgifte en optische en elektrochemische sensoren tot organen-op-chips. Het team van onderzoekers van RIKEN BDR en Tokyo Denki University heeft een bio-MEMS ontwikkeld dat wordt aangedreven door echte spieren, die nuttig kunnen zijn bij chirurgische implantaten. Voortbouwend op hun on-chip micropompontwerp, de nieuwe studie is het proof-of-concept voor een on-chip spieraangedreven klep.

Bij mechanica, een actuator is het onderdeel van een machine dat een mechanisme bestuurt door het te laten bewegen, zoals het openen en sluiten van een klep. Actuatoren hebben een stroombron en een stuursignaal nodig, die typisch elektrische stroom of een soort vloeistofdruk zijn. Het belangrijkste voordeel van het gebruik van spieren als actuatoren in bio-MEM-systemen is dat ze op dezelfde manier kunnen worden aangedreven als in levende lichamen:chemisch. voor spieren, het signaal voor contractie is het molecuul acetylcholine - dat wordt afgegeven door neuronen - en de energiebron is adenosinetrifosfaat (ATP) - dat zich in spiercellen bevindt.

"Onze bio-MEMS kan niet alleen werken zonder een externe stroombron, maar in tegenstelling tot andere chemisch aangedreven kleppen die worden aangestuurd door zuren, onze door spieren aangedreven klep werkt op moleculen die van nature overvloedig aanwezig zijn in levende organismen, ", zegt eerste auteur Yo Tanaka van RIKEN BDR. "Dit maakt het biovriendelijk en vooral geschikt voor medische toepassingen waarbij het gebruik van elektriciteit moeilijk of niet wordt aangeraden."

Het team stelde aanvankelijk vast dat een klein velletje regenwormspier van 1 cm x 3 cm een ​​gemiddelde contractiele kracht van ongeveer 1,5 milli-newton kon produceren over een periode van 2 minuten wanneer het werd gestimuleerd door een zeer kleine hoeveelheid acetylcholine. Met behulp van deze gegevens, ze bouwen een microfluïdumkanaal en klep op een microchip van 2 cm x 2 cm die kan worden gecontroleerd door de samentrekking/ontspanning van de regenwormspier.

Om het systeem te testen, ze gebruikten een microscoop om fluorescent gelabelde microdeeltjes in vloeistof te volgen terwijl ze door het microkanaal stroomden. Wanneer acetylcholine werd toegepast, de spier trok samen. De resulterende kracht werd omgezet in een staaf die naar beneden werd gedrukt om de klep te sluiten, die met succes de vloeistofstroom stopte. Toen de acetylcholine was weggespoeld, de spier ontspannen, de klep weer geopend, en de vloeistof stroomde weer.

"Nu we hebben aangetoond dat spieraangedreven kleppen op de chip mogelijk zijn, we kunnen werken aan verbeteringen die het praktisch maken, ", zegt Tanaka. "Een optie is om gekweekte spiercellen te gebruiken. Dit kan massaproductie mogelijk maken, betere controle, en flexibiliteit qua vorm. Echter, we zullen rekening moeten houden met de vermindering van de hoeveelheid kracht die op deze manier kan worden geproduceerd in vergelijking met echte spierplaten." De studie werd gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten op 8 juli