26 (Nanowerk-Neuigkeiten) Die Ultraviolett-Laserverarbeitung ist eine vielversprechende Technik zur Entwicklung komplizierter Mikrostrukturen, die eine komplexe Ausrichtung von Muskelzellen ermöglicht, die für den Aufbau lebensechter biohybrider Aktuatoren erforderlich ist, wie Forscher von Tokyo Tech gezeigt haben. Im Vergleich zu herkömmlichen komplexen Methoden ermöglicht diese innovative Technik die einfache und schnelle Herstellung von Mikrostrukturen mit komplizierten Mustern zur Erzielung unterschiedlicher Muskelzellanordnungen und ebnet so den Weg für biohybride Aktuatoren, die komplexe, flexible Bewegungen ausführen können. Biomimetische Roboter, die die Bewegungen und biologischen Funktionen lebender Organismen nachahmen, sind ein faszinierendes Forschungsgebiet, das nicht nur zu effizienteren Robotern führen kann, sondern auch als Plattform für das Verständnis der Muskelbiologie dienen kann. Zu diesen gehören biohybride Aktuatoren, die aus weichen Materialien und Muskelzellen bestehen, die die Kräfte tatsächlicher Muskeln nachbilden können, und das Potenzial haben, lebensechte Bewegungen und Funktionen zu erreichen, einschließlich Selbstheilung, hoher Effizienz und hohem Kraft-Gewichts-Verhältnis Verhältnis, was für herkömmliche sperrige Roboter, die schwere Energiequellen benötigen, schwierig war. Eine Möglichkeit, diese lebensechten Bewegungen zu erreichen, besteht darin, Muskelzellen in biohybriden Aktuatoren anisotrop anzuordnen. Dabei werden sie in einem bestimmten Muster ausgerichtet, in dem sie in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, wie es bei lebenden Organismen der Fall ist. Während frühere Studien über biohybride Aktuatoren mit erheblicher Bewegung unter Verwendung dieser Technik berichteten, konzentrierten sie sich hauptsächlich auf die anisotrope Ausrichtung von Muskelzellen in einer geraden Linie, was nur zu einfachen Bewegungen führte, im Gegensatz zu den komplexen Bewegungen nativer Muskelgewebe wie Drehen, Beugen, und schrumpft. Echtes Muskelgewebe weist eine komplexe Anordnung von Muskelzellen auf, einschließlich gekrümmter und spiralförmiger Muster. Um solche komplexen Anordnungen zu erzeugen, müssen gekrümmte Mikrorillen (MGs) auf einem Substrat gebildet werden, die dann als Leitfaden für die Ausrichtung der Muskelzellen in den erforderlichen Mustern dienen. Die Herstellung komplexer MGs wurde durch Methoden wie erreicht Fotolithografie, wellenförmige Mikrographie und Mikrokontaktdruck. Diese Methoden umfassen jedoch mehrere komplizierte Schritte und sind nicht für eine schnelle Herstellung geeignet. Um dieses Problem anzugehen, hat ein Forscherteam des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in Japan unter der Leitung von außerordentlichem Professor Toshinori Fujie von der School of Life Science and Technology eine ultraviolette (UV) Laserbearbeitungstechnik zur Herstellung komplexer Mikrostrukturen entwickelt . „Basierend auf unseren früheren Prototypen stellten wir die Hypothese auf, dass biohybride Aktuatoren, die einen dünnen SBS-Film (Hartgummi) mit willkürlichen anisotropen MGs verwenden, die durch eine UV-Laserbearbeitung hergestellt werden, die Zellausrichtung in eine willkürlich anisotrope Richtung steuern können, um lebensechtere flexible Bewegungen zu reproduzieren.“ erklärt Dr. Fujie. Ihre Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Biofabrikation („UV-laserbearbeitete Mikrostruktur zum Aufbau biohybrider Aktoren mit anisotroper Bewegung“).
Eine neuartige Methode zur einfachen und schnellen Herstellung biomimetischer Roboter mit lebensechten Bewegungen. (Bild: Tokyo Tech) Die neuartige Technik umfasst die Bildung gebogener MGs auf einem Polyimid durch UV-Laserbearbeitung, die dann auf einen dünnen Film aus SBS übertragen werden. Als nächstes werden Skelettmuskelzellen, sogenannte Myotubes, die in lebenden Organismen vorkommen, mithilfe der MGs ausgerichtet, um ein anisotrop gekrümmtes Muskelmuster zu erzielen. Mit dieser Methode entwickelten die Forscher zwei verschiedene biohybride Aktuatoren: einen an das Glassubstrat gebundenen und einen ungebundenen. Bei elektrischer Stimulation verformten sich beide Aktuatoren durch eine drehähnliche Bewegung. Interessanterweise verwandelt sich der biohybride Aktuator, wenn er nicht angebunden ist, aufgrund der gekrümmten Ausrichtung der Myotubes wie ein natürlicher Schließmuskel in eine freistehende 3D-Struktur. „Diese Ergebnisse zeigen, dass UV-Laser im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine schnellere und einfachere Methode zur Herstellung abstimmbarer MG-Muster ist. „Diese Methode eröffnet faszinierende Möglichkeiten, durch die geführte Ausrichtung von Myotubes lebensechtere biohybride Aktuatoren zu erreichen“, betont Dr. Fujie und betont das Potenzial dieser innovativen Technik. Insgesamt zeigt diese Studie das Potenzial der UV-Laserbearbeitung für die Herstellung verschiedener anisotroper Muskelgewebemuster und ebnet den Weg für lebensechtere Biohybrid-Aktuatoren, die zu komplexen, flexiblen Bewegungen fähig sind.
Eine neuartige Methode zur einfachen und schnellen Herstellung biomimetischer Roboter mit lebensechten Bewegungen. (Bild: Tokyo Tech) Die neuartige Technik umfasst die Bildung gebogener MGs auf einem Polyimid durch UV-Laserbearbeitung, die dann auf einen dünnen Film aus SBS übertragen werden. Als nächstes werden Skelettmuskelzellen, sogenannte Myotubes, die in lebenden Organismen vorkommen, mithilfe der MGs ausgerichtet, um ein anisotrop gekrümmtes Muskelmuster zu erzielen. Mit dieser Methode entwickelten die Forscher zwei verschiedene biohybride Aktuatoren: einen an das Glassubstrat gebundenen und einen ungebundenen. Bei elektrischer Stimulation verformten sich beide Aktuatoren durch eine drehähnliche Bewegung. Interessanterweise verwandelt sich der biohybride Aktuator, wenn er nicht angebunden ist, aufgrund der gekrümmten Ausrichtung der Myotubes wie ein natürlicher Schließmuskel in eine freistehende 3D-Struktur. „Diese Ergebnisse zeigen, dass UV-Laser im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine schnellere und einfachere Methode zur Herstellung abstimmbarer MG-Muster ist. „Diese Methode eröffnet faszinierende Möglichkeiten, durch die geführte Ausrichtung von Myotubes lebensechtere biohybride Aktuatoren zu erreichen“, betont Dr. Fujie und betont das Potenzial dieser innovativen Technik. Insgesamt zeigt diese Studie das Potenzial der UV-Laserbearbeitung für die Herstellung verschiedener anisotroper Muskelgewebemuster und ebnet den Weg für lebensechtere Biohybrid-Aktuatoren, die zu komplexen, flexiblen Bewegungen fähig sind.
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=64718.php
