Onderzoekers ontwikkelen kleine "Spinobots" met rattenspier- en ruggenmergweefsel

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

Voorafgaand aan de nieuwe ontwikkelingen vertrouwden biologische robots op eenvoudige spiercontractie om vooruit te komen. Door het gebruik van het ruggenmerg in deze nieuwe robots kunnen ze met een natuurlijker ritme lopen.

Martha Gillette is onderzoeksleider en hoogleraar cel- en ontwikkelingsbiologie. 

"Dit zijn het begin van een richting in de richting van interactieve biologische apparaten die toepassingen kunnen hebben voor neurocomputing en voor herstellende geneeskunde," zei Gillette.  

De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift APL Bio-engineering. 

Spinobots maken

Om de spinobots te bouwen, printten de onderzoekers eerst het kleine skelet. Het had twee palen die als poten fungeerden, evenals een flexibele "ruggengraat". Het skelet werd vervolgens bezaaid met spiercellen die uitgroeiden tot spierweefsel, en een segment van het lumbale ruggenmerg werd van een rat genomen en erin geïntegreerd. 

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

"We hebben specifiek het lumbale ruggenmerg geselecteerd omdat eerder werk heeft aangetoond dat het de circuits herbergt die de links-rechtsafwisseling voor de onderste ledematen tijdens het lopen regelen", zei Kaufman. “Vanuit technisch oogpunt zijn neuronen nodig om steeds complexere, gecoördineerde spierbewegingen aan te sturen. Het meest uitdagende obstakel voor innervatie was dat niemand ooit eerder een intact ruggenmerg van een knaagdier had gekweekt.”

Een methode ontwerpen om het ruggenmerg te integreren

De onderzoekers ontwikkelden een methode om het intacte ruggenmerg te extraheren en te kweken, maar ook om het in de robot te integreren terwijl ze de spier- en zenuwweefsels samen kweekten. Daarbij moesten ze ervoor zorgen dat de neuronen verbindingen met de spier vormden. 

Na het ontwerpen van de nieuwe methode observeerden de onderzoekers spiercontracties die plaatsvonden in de spinobots. Dit betekende dat de neuro-musculaire verbindingen zich inderdaad vormden en dat de twee verschillende soorten cellen met elkaar communiceerden. Om ervoor te zorgen dat het ruggenmerg functioneerde, wat nodig is om te lopen, gebruikten de onderzoekers glutamaat. Glutamaat is een neurotransmitter die zenuwen helpt om de spier te laten samentrekken. 

De spier trok samen en de benen bewogen in een natuurlijk ritme dankzij het glutamaat, en toen het eenmaal was weggenomen, konden de spinobots niet meer lopen. 

De volgende stappen voor de onderzoekers zijn onder meer het verfijnen van de bewegingen van de spinobots, zodat ze nog natuurlijker zijn. Hun hoop is dat in vitro modellen van het perifere zenuwstelsel kunnen worden gecreëerd door het gebruik van kleinschalige integratie van het ruggenmerg. 

"De ontwikkeling van een in vitro perifeer zenuwstelsel - ruggenmerg, uitlopers en geïnnerveerde spieren - zou onderzoekers in staat kunnen stellen om neurodegeneratieve ziekten zoals ALS in realtime te bestuderen met een grotere gemakkelijke toegang tot alle betrokken componenten," zei Kaufman. "Er zijn ook verschillende manieren waarop deze technologie kan worden gebruikt als chirurgisch trainingsinstrument, van het optreden als oefenpop gemaakt van echt biologisch weefsel tot het daadwerkelijk helpen bij het uitvoeren van de operatie zelf. Deze toepassingen liggen voorlopig nog in de vrij verre toekomst, maar de opname van een intact ruggenmergcircuit is een belangrijke stap voorwaarts.”