在兩項(xiàng)新的研究中，北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)并測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《致動器》雜志上的第一項(xiàng)研究中，研究人員專注于材料對人造肌肉強(qiáng)度和收縮長度的影響。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”的纖維可用于開發(fā)人體中活的移動系統(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，”北卡羅來納州立大學(xué)紡織工程，化學(xué)和科學(xué)研究生Muh Amdadul Hoque說。“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，或者在未來的研究中使用它們來開發(fā)人造器官。

研究人員通過將一個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)套中來制造變形纖維。用氣泵給內(nèi)部氣球充氣會使編織護(hù)套膨脹，導(dǎo)致其縮短。

研究人員測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，”北卡羅來納州立大學(xué)紡織工程，化學(xué)和科學(xué)助理教授Xiaomeng Fang說。“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)動的動態(tài)性質(zhì)，”北卡羅來納州立大學(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。

他們研究了細(xì)胞對變形纖維運(yùn)動的反應(yīng)，以及對纖維結(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)器人的收縮超過一定水平時，他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的代謝活動下降，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)動是否會影響細(xì)胞分化。他們說，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)胞對拉伸和其他運(yùn)動的反應(yīng)而開發(fā)的，因?yàn)樗鼈冎荒茉诙S空間中移動。

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

“這對干細(xì)胞特別有用，”Gluck補(bǔ)充道。“我們未來可以做的是研究細(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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