Onderzoekers ontwikkelen kleine “Spinobots” met rattenmusculatuur en ruggengraatweefsel

In een vreemd klinkende en belangrijke ontwikkeling op het gebied van robotica hebben onderzoekers aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign kleine “spinobots” ontwikkeld die kunnen lopen. Ze worden aangedreven door rattenmusculatuur en ruggengraatweefsel, dat aanwezig is op het zachte, 3D-geprinte hydrogelskelet.

Vóór de nieuwe ontwikkelingen vertrouwden biologische robots op eenvoudige spiercontractie om vooruit te komen. Met het gebruik van de ruggengraat in deze nieuwe robots kunnen ze lopen met een meer natuurlijk ritme.

Martha Gillette is de studieleider en professor in cel- en ontwikkelingsbiologie.

“Dit zijn de beginselen van een richting naar interactieve biologische apparaten die toepassingen kunnen hebben voor neurocomputing en voor herstelgeneeskunde,” zei Gillette.

De resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift APL Bioengineering.

De Spinobots maken

Om de spinobots te bouwen, hebben de onderzoekers eerst het kleine skelet geprint. Het had twee palen die fungeerden als benen, evenals een flexibele “ruggengraat”. Het skelet werd vervolgens gezaaid met spiercellen die uitgroeiden tot spierweefsel, en een segment van de lumbale ruggengraat werd genomen van een rat en geïntegreerd.

Collin Kaufman is een promovendus en de eerste auteur van het artikel.

“We hebben specifiek de lumbale ruggengraat geselecteerd omdat eerder onderzoek heeft aangetoond dat deze de circuits herbergt die de linker-rechter alternering voor de onderste ledematen tijdens het lopen controleren,” zei Kaufman. “Vanuit een technisch perspectief zijn neuronen noodzakelijk om ooit complexere, gecoördineerde spierbewegingen aan te sturen. De moeilijkste hindernis voor innervatie was dat niemand ooit eerder een intact rattenruggengraat had gekweekt.”

Ontwerp van een methode om de ruggengraat te integreren

De onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om de intacte ruggengraat te extraheren en te kweken, evenals om deze te integreren in de robot terwijl ze de spier- en zenuwweefsels samen kweekten. Bij het doen hiervan moesten ze ervoor zorgen dat de neuronen verbindingen vormden met de spier.

Na het ontwerpen van de nieuwe methode, observeerden de onderzoekers spiercontracties die plaatsvonden in de spinobots. Dit betekende dat de neuro-musculaire verbindingen inderdaad werden gevormd en dat de twee verschillende soorten cellen communiceerden. Om ervoor te zorgen dat de ruggengraat functioneerde, wat nodig is voor het lopen, gebruikten de onderzoekers glutamaat. Glutamaat is een neurotransmitter die helpt bij het doorgeven van signalen van zenuwen naar spieren.

De spier contracteerde en de benen bewogen in een natuurlijk ritme vanwege het glutamaat, en zodra het werd verwijderd, liepen de spinobots niet meer.

De volgende stappen voor de onderzoekers omvatten het verfijnen van de bewegingen van de spinobots, zodat ze nog meer natuurlijk zijn. Hun hoop is dat in vitro-modellen van het perifere zenuwstelsel kunnen worden gemaakt door middel van kleine-schaalintegratie van de ruggengraat.

“De ontwikkeling van een in vitro perifere zenuwstelsel – ruggengraat, uitgroeiingen en geïnnerveerde spier – kan onderzoekers in staat stellen om neurodegeneratieve ziekten zoals ALS in real-time te bestuderen met grotere gemakkelijkheid om toegang te krijgen tot alle getroffen componenten,” zei Kaufman. “Er zijn ook verschillende manieren waarop deze technologie kan worden gebruikt als een chirurgisch trainingsinstrument, van het fungeren als een oefenpop gemaakt van echt biologisch weefsel tot het daadwerkelijk helpen bij de uitvoering van de chirurgie. Deze toepassingen liggen voorlopig in de nogal verre toekomst, maar de integratie van een intacte ruggengraatcircuit is een belangrijke stap vooruit.”