Các nhà nghiên cứu phát triển “Spinobots” nhỏ với cơ và mô tủy sống của chuột

Trong một bước phát triển quan trọng và kỳ lạ trong lĩnh vực robot, các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois tại Urbana-Champaign đã phát triển các “spinobots” nhỏ có thể đi lại. Chúng được cung cấp năng lượng bởi cơ và mô tủy sống của chuột, hiện diện trên khung xương hydrogel 3D mềm.

Trước những phát triển mới, các robot sinh học dựa trên sự co cơ đơn giản để di chuyển. Với việc sử dụng tủy sống trong các robot mới này, chúng có thể đi lại với nhịp điệu tự nhiên hơn.

Martha Gillette là người đứng đầu nghiên cứu và giáo sư sinh học tế bào và phát triển.

“Đây là những bước đầu tiên hướng tới các thiết bị sinh học tương tác có thể có ứng dụng trong lĩnh vực tính toán thần kinh và y học phục hồi,” Gillette cho biết.

Những phát hiện được công bố trên tạp chí APL Bioengineering.

Phát triển Spinobots

Để xây dựng spinobots, các nhà nghiên cứu đầu tiên đã in khung xương nhỏ. Nó có hai chân và một “xương sống” linh hoạt. Sau đó, khung xương được gieo các tế bào cơ phát triển thành mô cơ, và một đoạn tủy sống thắt lưng được lấy từ chuột và tích hợp vào đó.

Collin Kaufman là sinh viên sau đại học và là tác giả đầu tiên của bài báo.

“Chúng tôi đã chọn tủy sống thắt lưng vì các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng nó chứa các mạch điều khiển sự xen kẽ trái-phải của chi dưới trong khi đi,” Kaufman cho biết. “Từ góc độ kỹ thuật, các neuron cần thiết để điều khiển các chuyển động cơ phức tạp hơn. Thách thức lớn nhất đối với sự phát triển là không ai đã từng nuôi cấy một tủy sống完整 của chuột trước đây.”

Thiết kế phương pháp tích hợp tủy sống

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp để trích xuất tủy sống hoàn chỉnh và nuôi cấy, cũng như tích hợp nó vào robot trong khi nuôi cấy mô cơ và mô thần kinh cùng nhau. Khi làm điều này, họ phải đảm bảo rằng các neuron hình thành các mối nối với cơ.

Sau khi thiết kế phương pháp mới, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy sự co cơ xảy ra trong spinobots. Điều này có nghĩa là các mối nối thần kinh-cơ thực sự đã hình thành, và hai loại tế bào khác nhau đang giao tiếp. Để đảm bảo tủy sống hoạt động, cần thiết cho việc đi lại, các nhà nghiên cứu đã sử dụng glutamate. Glutamate là một chất dẫn truyền thần kinh giúp các neuron tín hiệu cho cơ co lại.

Cơ co lại và chân di chuyển theo nhịp điệu tự nhiên do glutamate, và một khi nó được loại bỏ, spinobots không đi lại nữa.

Các bước tiếp theo cho các nhà nghiên cứu bao gồm tinh chỉnh các chuyển động của spinobots, để chúng trở nên tự nhiên hơn. Hy vọng của họ là các mô in vitro của hệ thống thần kinh ngoại vi có thể được tạo ra thông qua việc tích hợp tủy sống nhỏ.

“Sự phát triển của một hệ thống thần kinh ngoại vi in vitro – tủy sống, mọc ra và cơ được nuôi dưỡng – có thể cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu các bệnh thần kinh suy giảm như ALS trong thời gian thực với sự dễ dàng tiếp cận hơn đến tất cả các thành phần bị ảnh hưởng,” Kaufman cho biết. “Có nhiều cách mà công nghệ này có thể được sử dụng như một công cụ đào tạo phẫu thuật, từ việc đóng vai trò như một búp bê thực hành làm từ mô sinh học thực sự đến việc giúp thực hiện phẫu thuật chính nó. Những ứng dụng này, hiện tại, nằm trong tương lai khá xa, nhưng việc bao gồm một mạch tủy sống hoàn chỉnh là một bước tiến quan trọng.”