麻省理工学院的新型生物制造技术可用于多向人造肌肉组织和3D打印眼睛

2025年3月20日，南极熊获悉，麻省理工研究人员宣称正在采用一种全新的方法来培育能够在多个方向收缩的人造肌肉组织，比以往更接近地模仿自然肌肉的运动。

△研究人员开发出一种人造肌肉驱动结构，它既可以向心拉动，也可以向径向拉动，模仿人眼虹膜扩张和收缩瞳孔

该团队没有依赖传统、复杂的制造方法，而是采用了一种出奇简单的方法，使用3D打印印章在柔软的水凝胶中创建结构化凹槽。这些凹槽引导肌肉细胞生长，确保它们排列成可以在多个方向上收缩的功能性纤维。

这项研究由麻省理工学院机械工程系尤金贝尔组织工程职业发展教授Ritu Raman领导。研究资金由美国海军研究办公室(ONR)、美国陆军研究办公室、美国国家科学基金会(NSF)和美国国立卫生研究院(NIH)提供。

△这项技术已发表在《生物材料科学》杂志上，题目为“利用微地形构建多向肌肉执行器”（传送门）

人造虹膜可控制肌肉收缩

该研究的核心是通过微地形图案化（STAMP）对执行器进行简单模板化，这是一种以微观精度塑造肌肉生长的制造工艺。

为了验证这种方法的可行性，研究人员设计了一种人工虹膜，这是一类生物混合执行器，旨在模仿人眼瞳孔的扩张和收缩机制。该结构集成了两种不同排列的肌肉纤维：一种形成同心圆，另一种呈放射状。在光刺激下，这两种纤维协同作用，产生受控的收缩反应，展现出工程肌肉组织中罕见的协调性。

自然肌肉纤维的生长方向并不是完全直线的；它们在人体中以不同的方向生长，从而能够实现各种运动。然而，传统的人造肌肉设计通常仅限于单向拉伸。这一限制使得开发能够执行复杂多轴运动的生物混合执行器变得极具挑战性。借助STAMP（空间定位肌肉生长）技术，肌肉的生长模式现在可以更加复杂，从而使人造组织的功能更加接近自然组织的功能。

△通过微地形图案(STAMP)对执行器进行简单模板化。首先，他们用3D打印出一个小型手持式印章（上图），印章上有微小的凹槽，每个凹槽都小到一个细胞。然后，他们将印章压入柔软的水凝胶中，并在产生的凹槽中植入真正的肌肉细胞。细胞沿着水凝胶中的这些凹槽生长，形成纤维（下图）

可及性是开发压模工艺的关键。研究人员利用高分辨率3D打印技术制作了带有微观凹槽的压模，这些凹槽的尺寸与单个肌肉细胞相匹配。通过在印章上施加蛋白质涂层，确保在不损坏材料的情况下，肌肉能够干净地转移到水凝胶上。一旦肌肉被压入指定位置，印章即为肌肉纤维提供了一个精确的生长蓝图。这导致了形成一个能够长期维持功能的结构化组织网络。

此外，计算建模在验证这一技术方面发挥了至关重要的作用。模拟预测，使用STAMP方法生长的肌肉纤维将以协调、多方向的方式收缩，这一预测已通过实验测试得到证实。

△STAMP对肌肉成熟和纤维形态的影响

实验结果

人造虹膜能够以一种与人类眼睛中自然发生的瞳孔收缩功能非常相似的方式进行控制。尽管这项研究专注于骨骼肌，但该方法并不局限于一种细胞类型。研究人员相信，它也可以适用于神经元、心肌细胞和其它组织，以创造结构精确的生物工程材料。

展望未来，研究团队对医学以外的应用前景充满期待。基于肌肉的执行器可以为软机器人中的刚性机械部件提供节能的替代品，尤其是在灵活性至关重要的环境中。能够执行多自由度（multi-DOF）运动的能力，将使生物混合机器人在适应性和动态性方面更加出色。