Los científicos del Centro RIKEN de Investigación de Dinámica de Biosistemas (BDR) en Japón han desarrollado la primera válvula de microchip impulsada por células vivas. El tejido del músculo de la lombriz de tierra permitía una alta fuerza contráctil que podía mantenerse durante minutos, y a diferencia de las válvulas controladas eléctricamente, no requirió ninguna fuente de alimentación externa como baterías.

Durante varias décadas, Los investigadores han intentado combinar sistemas microelectromecánicos (MEMS) con material vivo. Los Bio-MEMS tienen muchas aplicaciones, que van desde la administración mejorada de fármacos y sensores ópticos y electroquímicos hasta órganos en chips. El equipo de investigadores de RIKEN BDR y la Universidad de Tokyo Denki han estado desarrollando un bio-MEMS impulsado por músculo real, que podría ser útil en implantes quirúrgicos. Sobre la base de su diseño de microbomba en chip, El nuevo estudio es la prueba de concepto de una válvula impulsada por músculos en el chip.

En mecánica, un actuador es la parte de una máquina que controla un mecanismo haciéndolo moverse, como la apertura y cierre de una válvula. Los actuadores requieren una fuente de alimentación y una señal de control, que son típicamente corriente eléctrica o algún tipo de presión de fluido. La principal ventaja de utilizar los músculos como actuadores en los sistemas bio-MEM es que se pueden alimentar de la misma forma que en los cuerpos vivos:químicamente. Para los músculos, la señal de contracción es la molécula acetilcolina, que es administrada por neuronas, y la fuente de energía es el trifosfato de adenosina (ATP), que existe dentro de las células musculares.

"Nuestros bio-MEMS no solo pueden funcionar sin una fuente de alimentación externa, pero a diferencia de otras válvulas accionadas químicamente que están controladas por ácidos, nuestra válvula impulsada por los músculos funciona con moléculas que son naturalmente abundantes en los organismos vivos, ", dice el primer autor Yo Tanaka de RIKEN BDR. Esto lo hace ecológico y especialmente adecuado para aplicaciones médicas en las que el uso de la electricidad es difícil o desaconsejado".

El equipo determinó inicialmente que una pequeña hoja de 1 cm x 3 cm de músculo de lombriz de tierra podría producir una fuerza contráctil promedio de aproximadamente 1,5 mili-newtons durante un período de 2 minutos cuando se estimula con una cantidad muy pequeña de acetilcolina. Usando estos datos, construyen un canal de microfluidos y una válvula en un microchip de 2 cm x 2 cm que podría controlarse mediante la contracción / relajación del músculo de la lombriz de tierra.

Para probar el sistema, usaron un microscopio para monitorear micropartículas marcadas con fluorescencia en líquido a medida que fluían a través del microcanal. Cuando se aplicó acetilcolina, el músculo se contrajo. La fuerza resultante se transformó en una barra que se empujó hacia abajo para cerrar la válvula, que detuvo con éxito el flujo de líquido. Cuando se eliminó la acetilcolina, el músculo relajado, la válvula se volvió a abrir, y el fluido volvió a fluir.

"Ahora que hemos demostrado que las válvulas impulsadas por músculos en el chip son posibles, podemos trabajar en mejoras que lo hagan práctico, "dice Tanaka." Una opción es utilizar células musculares cultivadas. Esto podría permitir la producción en masa, mejor control, y flexibilidad en términos de forma. Sin embargo, tendremos que tener en cuenta la reducción en la cantidad de fuerza que se puede producir de esta manera en comparación con las láminas musculares reales ". El estudio fue publicado en Informes científicos el 8 de julio.