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仿生軟體機器鰩魚可望建造人工心臟

本篇介紹微型仿生軟體機器鰩魚突破生物和機器的限制,是運用組織工程學製成的半機械體,具大鼠活體細胞且能以光趨動其模仿鰩魚或魟魚游泳,未來可研發更多合成動物和建造人工心臟
 
 
 
一款僅16公釐長、重量10毫克的微型仿生軟體機器鰩魚(tissue-engineered soft-robotic ray)突破生物和機器的界限,是運用組織工程學製成的半機械體,使用生物活體細胞且完美複製真正鰩魚(batoid fish)或魟魚的游泳方式,尺寸只有真實幼魚的十分之一,製造一條僅需一星期,未來將可望建造人工心臟。研究成果今(2016)年7月由美國哈佛大學帕克(Kevin Kit Parker)教授主導的國際研究小組在《科學》(Science)期刊發表,未來不僅可研發更多栩栩如生的合成動物,更可促進醫療設備的發展。

組織工程學又稱為再生醫學,是指利用生物活性物質,通過體外培養或構建的方法,再造或修復人體器官和組織的技術。這類人造組織或人工器官的研發屬於綜合生物學、醫學、工程學等跨學科的生物醫學工程領域,困難度很高、卻具高需求性。

帕克教授認為鰩形目(Rajiformes)的鰩魚和魟魚之特殊體型及游動方式可增強對抗運動的穩定性,游動時改變方向的方式與心臟跳動有相似之處,能有效防止傾斜或翻轉,是研發機器人技術的理想生物模型。研究小組的仿生對象以英文名為Little skates的猬白鰩(Leucoraja erinacea)幼魚為主(避免被成魚尾鞭刺到導致中毒風險),其他英文名為Stingrays、Skates或Rays的藍斑條尾魟(Taeniura lymma)和奧氏江魟(Potamotrygon orbignyi)為輔。牠們的身體扁平,菱形體型係因發達的胸鰭像一對翅膀與身體結合,尾鞭細長並有毒刺,游泳時翼狀胸鰭以波浪形擺動,能高效率的快速游動。一般棲息在深度100米以內的海底沙地,以小型貝類、甲殼類或魚蝦為食。

微型機器鰩魚是結合活生物細胞與人工材料組成的複合體,也是光驅動機器人,如同猬白鰩有一個平滑的軀幹和長長的翅膀狀魚鰭,由透明彈性的有機矽(elastomer,聚二甲基矽氧烷PDMS)仿生皮膚包覆黃金骨架構成,最特別的是腹面皮膚下有肌肉層,當以藍光(波長465 nm)控制這層活肌肉細胞收縮時,它的翼狀胸鰭就會像真實鰩魚般進行波浪運動游泳,能藉由光線導引上下擺動魚鰭,在水中使用1.5Hz頻率的藍色雙光源LED可控制其活動。若同時用雙光源,一亮一滅時就會向前游動;如果只照射一邊魚鰭,觸發右邊或左邊蛇形肌電路就能讓它轉向;藍光亮滅的頻率(1-3 Hz)決定游泳速度,可達每小時約9公尺;若在約250 mm(其身長的15倍)距離以平均每秒1.5 mm速度沿著彎曲路徑引導,仿生鰩魚均可任意左轉或右轉,還能連續6天保持80%初始速度游動。

研究團隊使用鈦金屬模具以四層構造來架構機器鰩魚,完全複製猬白鰩由軟骨、雙層肌肉、和其他有機組織構成的胸鰭,第一層是用雷射3D切割成鰩魚形狀的有機矽透明彈性層,第二層使用穩定性高的惰性金屬黃金製成人造軟骨,第三層是防止心肌纖維細胞直接接觸金屬、造成細胞死亡的另一層有機矽透明彈性層,最後則是肌肉層。

肌肉層係採用2天大的大鼠胚胎心臟肌肉細胞,植入病毒感染後鑑識分離出的光敏基因(optogenetic molecular)片段,當這些心肌纖維細胞被藍光照射就會自行收縮,藍光消失後可重新伸展。研究團隊使用有機矽膜植入纖維連接蛋白(fibronectin)製作模板,以微接觸印刷(microcontact printing)技術,引導作為「種子」的心肌纖維細胞生長,約一周時間可培養出20萬個心肌纖維細胞,形成一個放射狀蛇形肌電路(serpentine patterned muscle circuits),類似真正鰩魚的肌肉纖維結構,肌肉內都具有肌節Z線,可確保肌肉纖維伸縮無礙。當心肌纖維細胞收縮可帶動魚鰭向下,黃金軟骨的彈性係數可支援骨骼系統的拮抗作用,使魚鰭向上回彈,構成一條會波浪運動的仿生機器鰩魚。惜因心肌纖維細胞不具免疫系統,在營養液中僅能存活一周,因此這條仿生鰩魚尚無法在營養液之外的環境「生存」。

此項成果證明組織工程和軟體機器人技術的結合具有巨大潛力,研究團隊未來可望利用反向工程技術,結合機器人工程學和基因生物學技術,製造出更多種類的肌肉泵、以建造出人工心臟,救治和延長病人壽命,提高人類生活品質。

(以上新聞編譯自2016年7月8日發行之Science期刊等)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
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