在兩項(xiàng)新的研究中，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)并測(cè)試了一系列紡織纖維，這些纖維可以改變形狀并產(chǎn)生像肌肉一樣的力量。在發(fā)表在《致動(dòng)器》雜志上的第一項(xiàng)研究中，研究人員專注于材料對(duì)人造肌肉強(qiáng)度和收縮長(zhǎng)度的影響。這些發(fā)現(xiàn)可以幫助研究人員為不同的應(yīng)用定制纖維。

在發(fā)表在《仿生學(xué)》上的第二項(xiàng)概念驗(yàn)證研究中，研究人員測(cè)試了他們的纖維作為活細(xì)胞支架。他們的研究結(jié)果表明，被稱為“纖維機(jī)器人”的纖維可用于開(kāi)發(fā)人體中活的移動(dòng)系統(tǒng)的3D模型。

“我們發(fā)現(xiàn)我們的光纖機(jī)器人是非常適合細(xì)胞的支架，我們可以改變頻率和收縮比，為細(xì)胞創(chuàng)造更合適的環(huán)境，”北卡羅來(lái)納州立大學(xué)紡織工程，化學(xué)和科學(xué)研究生Muh Amdadul Hoque說(shuō)。“這些是概念驗(yàn)證研究;最終，我們的目標(biāo)是看看我們是否可以將這些纖維作為干細(xì)胞的支架進(jìn)行研究，或者在未來(lái)的研究中使用它們來(lái)開(kāi)發(fā)人造器官。

研究人員通過(guò)將一個(gè)由類似于橡膠的材料制成的氣球狀管子封裝在編織的紡織護(hù)套中來(lái)制造變形纖維。用氣泵給內(nèi)部氣球充氣會(huì)使編織護(hù)套膨脹，導(dǎo)致其縮短。

研究人員測(cè)量了由不同材料制成的纖維的力和收縮率，以了解材料與性能之間的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，更堅(jiān)固、直徑更大的紗線會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的收縮力。此外，他們發(fā)現(xiàn)用于制造氣球的材料會(huì)影響收縮的大小并產(chǎn)生力。

“我們發(fā)現(xiàn)我們可以根據(jù)設(shè)備所需的性能定制材料特性，”北卡羅來(lái)納州立大學(xué)紡織工程，化學(xué)和科學(xué)助理教授Xiaomeng Fang說(shuō)。“我們還發(fā)現(xiàn)，我們可以使這種設(shè)備足夠小，因此我們可以將其用于織物形成和其他紡織品應(yīng)用，包括可穿戴設(shè)備和輔助設(shè)備。

在一項(xiàng)后續(xù)研究中，研究人員評(píng)估了他們是否可以使用變形纖維作為成纖維細(xì)胞的支架，成纖維細(xì)胞是一種在結(jié)締組織中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞類型，有助于支持其他組織或器官。

“拉伸的想法是模仿身體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，”北卡羅來(lái)納州立大學(xué)紡織工程，化學(xué)和科學(xué)助理教授，研究合著者杰西卡格魯克說(shuō)。

他們研究了細(xì)胞對(duì)變形纖維運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)，以及對(duì)纖維結(jié)構(gòu)中使用的不同材料的反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞能夠覆蓋甚至穿透纖維機(jī)器人的編織鞘。然而，當(dāng)纖維機(jī)器人的收縮超過(guò)一定水平時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的代謝活動(dòng)下降，與由他們保持靜止的相同材料制成的設(shè)備相比。

研究人員有興趣在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，看看他們是否可以將這些纖維用作3D生物模型，并研究運(yùn)動(dòng)是否會(huì)影響細(xì)胞分化。他們說(shuō)，他們的模型將比其他現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透冗M(jìn)，這些模型是為了顯示細(xì)胞對(duì)拉伸和其他運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)而開(kāi)發(fā)的，因?yàn)樗鼈冎荒茉诙S空間中移動(dòng)。

“通常，如果你想在細(xì)胞上增加拉伸或應(yīng)變，你會(huì)把它們放在塑料培養(yǎng)皿上，然后向一個(gè)或兩個(gè)方向拉伸它們，”格魯克說(shuō)。“在這項(xiàng)研究中，我們能夠證明在這種3D動(dòng)態(tài)培養(yǎng)中，細(xì)胞可以存活長(zhǎng)達(dá)72小時(shí)。

“這對(duì)干細(xì)胞特別有用，”Gluck補(bǔ)充道。“我們未來(lái)可以做的是研究細(xì)胞水平上在細(xì)胞機(jī)械應(yīng)力下會(huì)發(fā)生什么。你可以觀察肌肉細(xì)胞，看看它們是如何發(fā)育的，或者看看機(jī)械作用如何幫助區(qū)分細(xì)胞。

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