基于GelMA微纤维的骨骼肌单轴拉伸诱导生成及致动特性研究
发布时间：2022-01-17 15:49
生物混合致动器具有固有的安全性、高能效、低能耗、高敏感度以及自修复能力,为仿生机器人设计提供了新的思路。生物混合致动器的主要动力来源是可收缩的细胞或组织,在此之中,组织工程化骨骼肌具有细胞来源广、组织工程化难度低、可控性高、功率重量比高且可自修复等特性,使其成为最有潜力的生物混合致动器的动力来源。骨骼肌是常见的纤维状组织,其结构对其功能完整性及基于骨骼肌的致动器的应用场景具有重要影响,因此有必要在体外复制出其微纤维状结构。然而,现有的微纤维加工方法或由于其极端的加工条件不适宜于纤维状细胞衍生物的构建,或由于多步固化、离子型凝结剂暴露容易造成细胞损伤。天然骨骼肌长期处于机械场中,这对于骨骼肌的发育具有重要意义。然而,机械刺激诱导骨骼肌体外生成的系统性研究,受到设备复杂控制系统、较大占用空间或细胞高污染风险等限制,很难在培养系统中进行。另外,组织工程化骨骼肌有限的致动能力及寿命,为其在生物混合致动方面的应用带来了重重挑战。本论文从用于生物混合致动的组织工程化骨骼肌的需求出发,制备了致密排列、长寿命且高性能的基于明胶-甲基丙烯酰基（GelMA）微纤维的骨骼肌。主要研究内容和结果如下:1.仿骨...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．丨由生物和非生物系统组成的生物混合机器人的比较［３］
?第一章绪论???１．２．１不可扩展的生物混合致动器??．觀，？?？。ｓｔ＞ｅａｄ??益歡：、ＢＳＡ??＇?＾?Ｗｇ＾?４Ｐ＾?－??？、Ｂａｃｔｅｒｉａ?Ｈ??＆§３ｍ??＾?１?Ｏｉａ相也！?一?；?ｐ??？？〇？？？？？?＇?ｐ－｜??Ｍ＞？ｏ＜＾＞８ｉ？ｎｅｉ?’??Ｑｉａｓｋｖａｔａａ?１??图１．２?（Ａ）在微球上选择性粘附细菌，用于驱动载药微珠运动，进行细菌介导的肿??瘤诊断１１５］。（Ｂ）以蚯蚓全肌肉组织为驱动的微泵ｔｌ６］？??１．基于细菌和其他运动微生物的致动器??微生物是自然界中常见的可移动生物，可以用作生物混合机器人的致动器［１７］。??这些可移动微生物消耗简单的营养物质（例如葡萄糖），由生物分子马达产生驱??动力，使它们能在液体环境中游泳或者在基质上移动［１Ｍ９］。由于其优异的移动性，??许多类型的微生物己被用于开发生物混合机器人［１５’?１７’Ｍ］。微生物可以对多种环??境刺激产生响应发生滑行，因此可以使用多种方法来控制单个微生物或一组微生??物的运动［２１］。通过对基于细菌的微游泳机器人的运动进行建模和优化可以使其应??用于临床诊断。Ｐａｒｋ等设计出了一种“细菌机器人”，通过将减毒鼠伤寒沙门氏菌??附着在聚苯乙烯微珠上，利用其对肿瘤球体的趋化能力，实现了靶向小鼠实体瘤??的肿瘤诊断（图１．２Ａ）?［１５，２２］。基于微生物的致动器通常具有体积小（１￣３叫〇）、??动力强、容易操控、能效高、环境适应性强等优点，可以适用于在复杂环境中??的生物混合致动［３］。??２．基于外植全肌肉组织的致动器??为了增加生物混合系统的尺寸，需要更大的生物致动单元，而肌肉组织是达
?第一章绪论???构的不同，具有不同的应用场景。Ｔａｎａｋａ等人用薄膜状的蚯蚓肌肉组织作为生物??致动器来驱动微泵。该生物致动器能够产生９．３３?ｍＮ的收缩力，从而驱动微泵，??并实现５．０升／分钟的泵流速（图１．２Ｂ）?外植全肌肉组织具有较大的输出力，??使其具备驱动较大结构的能力，适用于大尺寸的生物混合系统。??１．２．２可扩展的生物混合致动器??廳■她鑛ｉ??Ｐ?ｎａＭ＆Ｍ＊〇？？ｒ?［３??ＡｎＭ９〇ｎ？？？ｔ?〇？??＾?＞ｆｅｒｔ？ｔａｌ？ｎｕ４ｃｋｆｔｉＪ＊ｕ？？??Ｍ?餘?Ｉ???Ａ?＾ＦｔｅｘＳ＾Ｈｔｔｂａｏ??、ｐ?ｒｆｆｃｊ??Ｃ〇？?？??．ａ＾ｊｐＫｓｌ｜＾￡ａ￡?＾?Ｖ?！麵?Ｖ?－?■??＾?ｒ?ｉ?＾?ｘ?■■■？？？?ｉＳＰ、，》－Ｔ?丨又??Ｅｒｔｍｗｏｎ?Ｃｏｏｏａｃｂｏｎ?＾??图１．３?（ａ）以昆虫自收缩背血管组织（ｄｖ）作为驱动的可在空气中使用的微镊子??［Ｍ】。（Ｂ）以心肌细胞作为驱动的微发电机［２５】》（Ｃ）以光基因修饰的心肌细胞作为动??力，驱动仿生魔鬼鱼的定向游动［２６］？?（Ｄ）由一对括抗的工程化骨骼肌提供动力的生物??混合机器人１２？１。??１．基于昆虫自收缩组织的致动器??与哺乳动物、鸟类甚至更大的脊椎动物相比，昆虫通常可以承受环境因素（温??度、渗透压、氧气供应和ｐＨ值）较大幅度的波动，能够在复杂的外部和内部条??件下生存。因此，研究人员提出了一种基于昆虫自收缩背血管组织（ＤＶ）（对应于??哺乳动物心脏组织）的致动器，以增强生物混合设备的耐用性。单个ＤＶ组织的??尺寸可达厘米级，其收缩力约为ｌＯＯ＾Ｎ，由于其合适的尺
本文编号：3595005
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．丨由生物和非生物系统组成的生物混合机器人的比较［３］
?第一章绪论???１．２．１不可扩展的生物混合致动器??．觀，？?？。ｓｔ＞ｅａｄ??益歡：、ＢＳＡ??＇?＾?Ｗｇ＾?４Ｐ＾?－??？、Ｂａｃｔｅｒｉａ?Ｈ??＆§３ｍ??＾?１?Ｏｉａ相也！?一?；?ｐ??？？〇？？？？？?＇?ｐ－｜??Ｍ＞？ｏ＜＾＞８ｉ？ｎｅｉ?’??Ｑｉａｓｋｖａｔａａ?１??图１．２?（Ａ）在微球上选择性粘附细菌，用于驱动载药微珠运动，进行细菌介导的肿??瘤诊断１１５］。（Ｂ）以蚯蚓全肌肉组织为驱动的微泵ｔｌ６］？??１．基于细菌和其他运动微生物的致动器??微生物是自然界中常见的可移动生物，可以用作生物混合机器人的致动器［１７］。??这些可移动微生物消耗简单的营养物质（例如葡萄糖），由生物分子马达产生驱??动力，使它们能在液体环境中游泳或者在基质上移动［１Ｍ９］。由于其优异的移动性，??许多类型的微生物己被用于开发生物混合机器人［１５’?１７’Ｍ］。微生物可以对多种环??境刺激产生响应发生滑行，因此可以使用多种方法来控制单个微生物或一组微生??物的运动［２１］。通过对基于细菌的微游泳机器人的运动进行建模和优化可以使其应??用于临床诊断。Ｐａｒｋ等设计出了一种“细菌机器人”，通过将减毒鼠伤寒沙门氏菌??附着在聚苯乙烯微珠上，利用其对肿瘤球体的趋化能力，实现了靶向小鼠实体瘤??的肿瘤诊断（图１．２Ａ）?［１５，２２］。基于微生物的致动器通常具有体积小（１￣３叫〇）、??动力强、容易操控、能效高、环境适应性强等优点，可以适用于在复杂环境中??的生物混合致动［３］。??２．基于外植全肌肉组织的致动器??为了增加生物混合系统的尺寸，需要更大的生物致动单元，而肌肉组织是达
?第一章绪论???构的不同，具有不同的应用场景。Ｔａｎａｋａ等人用薄膜状的蚯蚓肌肉组织作为生物??致动器来驱动微泵。该生物致动器能够产生９．３３?ｍＮ的收缩力，从而驱动微泵，??并实现５．０升／分钟的泵流速（图１．２Ｂ）?外植全肌肉组织具有较大的输出力，??使其具备驱动较大结构的能力，适用于大尺寸的生物混合系统。??１．２．２可扩展的生物混合致动器??廳■她鑛ｉ??Ｐ?ｎａＭ＆Ｍ＊〇？？ｒ?［３??ＡｎＭ９〇ｎ？？？ｔ?〇？??＾?＞ｆｅｒｔ？ｔａｌ？ｎｕ４ｃｋｆｔｉＪ＊ｕ？？??Ｍ?餘?Ｉ???Ａ?＾ＦｔｅｘＳ＾Ｈｔｔｂａｏ??、ｐ?ｒｆｆｃｊ??Ｃ〇？?？??．ａ＾ｊｐＫｓｌ｜＾￡ａ￡?＾?Ｖ?！麵?Ｖ?－?■??＾?ｒ?ｉ?＾?ｘ?■■■？？？?ｉＳＰ、，》－Ｔ?丨又??Ｅｒｔｍｗｏｎ?Ｃｏｏｏａｃｂｏｎ?＾??图１．３?（ａ）以昆虫自收缩背血管组织（ｄｖ）作为驱动的可在空气中使用的微镊子??［Ｍ】。（Ｂ）以心肌细胞作为驱动的微发电机［２５】》（Ｃ）以光基因修饰的心肌细胞作为动??力，驱动仿生魔鬼鱼的定向游动［２６］？?（Ｄ）由一对括抗的工程化骨骼肌提供动力的生物??混合机器人１２？１。??１．基于昆虫自收缩组织的致动器??与哺乳动物、鸟类甚至更大的脊椎动物相比，昆虫通常可以承受环境因素（温??度、渗透压、氧气供应和ｐＨ值）较大幅度的波动，能够在复杂的外部和内部条??件下生存。因此，研究人员提出了一种基于昆虫自收缩背血管组织（ＤＶ）（对应于??哺乳动物心脏组织）的致动器，以增强生物混合设备的耐用性。单个ＤＶ组织的??尺寸可达厘米级，其收缩力约为ｌＯＯ＾Ｎ，由于其合适的尺
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