由布里斯托爾大學(xué)的國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的最新研究，為構(gòu)建具有微型機(jī)器人、微尺度傳感和生物工程潛在應(yīng)用的新型半自主設(shè)備鋪平了道路。
微執(zhí)行器是一種可以將信號(hào)和能量轉(zhuǎn)換為小型結(jié)構(gòu)中機(jī)械驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，在各種先進(jìn)的微技術(shù)中都很重要。
通常，微執(zhí)行器依賴于體積特性(如 pH 值和溫度)的外部變化來觸發(fā)可重復(fù)的機(jī)械轉(zhuǎn)換。
在一項(xiàng)新研究中展示了一種新方法，該方法使用內(nèi)部變化作為基于信號(hào)的運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)器。
在一系列實(shí)驗(yàn)中，研究人員成功地將數(shù)以萬計(jì)的人造細(xì)胞樣實(shí)體(原始細(xì)胞)嵌入多糖水凝膠的螺旋細(xì)絲中，以產(chǎn)生由內(nèi)部化學(xué)驅(qū)動(dòng)的微小獨(dú)立彈簧。
該團(tuán)隊(duì)首先為原始細(xì)胞加載尿素酶，一種在提供尿素時(shí)會(huì)產(chǎn)生碳酸根離子的酶，然后使用自制的微流體裝置在海藻酸鈣水凝膠的扭曲射流中捕獲人造細(xì)胞。
當(dāng)尿素酶被打開時(shí)，螺旋絲開始在水中解開，并且隨著更多的碳酸根離子從原始細(xì)胞逃逸到周圍的水凝膠中，縱向延伸的速度增加。
內(nèi)源性化學(xué)活性與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的耦合與水凝膠中的交聯(lián)斷裂有關(guān)，這是由于原位形成碳酸鈣顆粒去除了鈣離子，導(dǎo)致彈簧狀彈性能的緩慢釋放。
相反，通過使用放置在長(zhǎng)絲外部的第二組產(chǎn)酸葡萄糖氧化酶原始細(xì)胞溶解碳酸鈣顆粒來回收鈣離子，可以逆轉(zhuǎn)開卷并重新建立獨(dú)立彈簧的原始螺距。
基于這些觀察，研究人員使用螺旋狀的原始細(xì)胞細(xì)絲作為驅(qū)動(dòng)軸來執(zhí)行原始細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的機(jī)械工作。為此，他們?cè)诰砬z的每一端都連接了一個(gè)“巨型”原始細(xì)胞，并將這些微小的啞鈴用作獨(dú)立的微致動(dòng)器(見圖)。
兩個(gè)巨大的原始細(xì)胞中的脲酶活性足以引起啞鈴的橫向伸展。如果其中一個(gè)附著的巨型原始細(xì)胞含有葡萄糖氧化酶，這種運(yùn)動(dòng)可能會(huì)受到抑制，葡萄糖氧化酶可以恢復(fù)水凝膠連接器中丟失的鈣。通過這種方式，可以通過化學(xué)信號(hào)的機(jī)載處理將一系列不同的化學(xué)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)模式編程到微致動(dòng)器中。
對(duì)原始生活技術(shù)有著長(zhǎng)期的興趣。一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何將原始細(xì)胞群落與其環(huán)境聯(lián)系起來以產(chǎn)生功能關(guān)系. 新工作朝著這個(gè)方向邁出了一步，因?yàn)樗f明了內(nèi)源性化學(xué)過程如何與其充滿活力的環(huán)境相結(jié)合，以產(chǎn)生可編程的化學(xué)機(jī)械微系統(tǒng)。
該方法能夠推動(dòng)新型軟自適應(yīng)微結(jié)構(gòu)的制造，這些微結(jié)構(gòu)通過提高自主性水平進(jìn)行操作。
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