Ricercatori sviluppano piccoli “spinobot” con muscolo e tessuto del midollo spinale di ratto

In uno sviluppo strano e importante nel campo della robotica, i ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign hanno sviluppato piccoli “spinobot” in grado di camminare. Sono alimentati da muscolo e tessuto del midollo spinale di ratto, presente su uno scheletro idrogel 3D stampato morbido.

Prima di questi nuovi sviluppi, i robot biologici si basavano sulla semplice contrazione muscolare per muoversi in avanti. Con l’uso del midollo spinale in questi nuovi robot, possono camminare con un ritmo più naturale.

Martha Gillette è il capo dello studio e professoressa di biologia cellulare e dello sviluppo.

“Questi sono gli inizi di una direzione verso dispositivi biologici interattivi che potrebbero avere applicazioni per il neurocalcolo e la medicina riparativa”, ha detto Gillette.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista APL Bioengineering.

Creazione degli spinobot

Per costruire gli spinobot, i ricercatori hanno prima stampato lo scheletro minuscolo. Aveva due sostegni che fungevano da gambe, nonché una “colonna vertebrale” flessibile. Lo scheletro è stato poi seminato con cellule muscolari che sono cresciute in tessuto muscolare e un segmento del midollo spinale lombare è stato prelevato da un ratto e integrato.

Collin Kaufman è uno studente di dottorato e il primo autore del documento.

“Abbiamo selezionato specificamente il midollo spinale lombare perché lavori precedenti hanno dimostrato che ospita i circuiti che controllano l’alternanza sinistra-destra per gli arti inferiori durante la camminata”, ha detto Kaufman. “Da un punto di vista ingegneristico, i neuroni sono necessari per guidare movimenti muscolari sempre più complessi e coordinati. L’ostacolo più difficile per l’innervazione era che nessuno aveva mai coltivato un midollo spinale di roditori integro prima.”

Progettazione di un metodo per integrare il midollo spinale

I ricercatori hanno sviluppato un metodo per estrarre il midollo spinale integro e coltivarlo, nonché integrarlo nel robot mentre coltivavano insieme il tessuto muscolare e nervoso. Quando facevano questo, dovevano assicurarsi che i neuroni formassero giunzioni con il muscolo.

Dopo aver progettato il nuovo metodo, i ricercatori hanno osservato le contrazioni muscolari che si verificavano negli spinobot. Ciò significava che le giunzioni neuro-muscolari si erano effettivamente formate e i due tipi di cellule stavano comunicando. Per assicurarsi che il midollo spinale funzionasse, che è necessario per la camminata, i ricercatori hanno utilizzato il glutammato. Il glutammato è un neurotrasmettitore che aiuta i nervi a segnalare al muscolo di contrarsi.

Il muscolo si contraeva e le gambe si muovevano in un ritmo naturale a causa del glutammato e, una volta rimosso, gli spinobot non camminavano più.

I prossimi passi per i ricercatori includono il perfezionamento dei movimenti degli spinobot, in modo che siano ancora più naturali. Sperano che i modelli in vitro del sistema nervoso periferico possano essere creati attraverso l’integrazione del midollo spinale su piccola scala.

“Lo sviluppo di un sistema nervoso periferico in vitro – midollo spinale, crescita e muscolo innervato – potrebbe consentire ai ricercatori di studiare le malattie neurodegenerative come l’ALS in tempo reale con maggiore facilità di accesso a tutti i componenti interessati”, ha detto Kaufman. “Ci sono anche una varietà di modi in cui questa tecnologia potrebbe essere utilizzata come strumento di addestramento chirurgico, dal fungere da fantoccio di pratica fatto di tessuto biologico reale all’aiuto effettivo nell’esecuzione della chirurgia stessa. Queste applicazioni sono, per ora, in un futuro abbastanza lontano, ma l’inclusione di un circuito del midollo spinale integro è un importante passo in avanti.”