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在两项新的研究中，北卡罗来纳州立大学的研究人员设计并测试了一系列可以改变形状并像肌肉一样产生力量的纺织纤维。在第一个研究在美国，研究人员关注的是材料对人造肌肉强度和收缩长度的影响。这一发现可以帮助研究人员定制不同用途的纤维。
在第二，概念验证研究在美国，研究人员测试了他们的纤维作为活细胞的支架。他们的发现表明，这种纤维——被称为“纤维机器人”——可能被用于开发人体活体、运动系统的3D模型。
“我们发现我们的纤维机器人是一个非常适合细胞的支架，我们可以改变频率和收缩比，为细胞创造一个更合适的环境，”他说Amdadul Hoque，北卡州立大学纺织工程、化学和科学专业研究生。“这些都是概念验证研究;最终，我们的目标是看看我们是否可以研究这些纤维作为干细胞的支架，或者在未来的研究中使用它们来开发人造器官。”
研究人员将一种类似橡胶的材料制成的类似气球的管子包裹在编织的纺织品护套中，从而制成了这种可变形的纤维。用气泵给内部气球充气，使编织护套膨胀，使其变短。
研究人员测量了由不同材料制成的纤维的受力和收缩率，以了解材料与性能之间的关系。他们发现，更粗、直径更大的纱线产生更强的收缩力。此外，他们还发现，用于制造气球的材料会影响收缩的大小和产生的力。
“我们发现我们可以根据设备所需的性能定制材料特性，”他说Xiaomeng方他是北卡州立大学纺织工程、化学和科学的助理教授。“我们还发现，我们可以把这个设备做得足够小，这样我们就有可能把它用于织物成型和其他纺织应用，包括可穿戴设备和辅助设备。”
在一项后续研究中，研究人员评估了他们是否可以使用形状改变的纤维作为成纤维细胞的支架，成纤维细胞是一种在结缔组织中发现的细胞类型，有助于支持其他组织或器官。
“拉伸的理念是模仿你身体运动的动态本质，”他说杰西卡·格里克他是北卡罗来纳州立大学纺织工程、化学和科学助理教授，也是该研究的合著者。
他们研究了细胞对形状变化纤维运动的反应，以及对纤维结构中使用的不同材料的反应。他们发现这些细胞能够覆盖甚至穿透纤维机器人的编织鞘。然而，他们发现，当纤维机器人的收缩超过一定程度时，细胞的代谢活动就会减少，而与之相比，由相同材料制成的设备保持静止。
研究人员有兴趣在这些发现的基础上，看看他们是否可以将这些纤维用作3D生物模型，并研究运动是否会影响细胞分化。他们说，他们的模型将比其他现有的实验模型更先进，这些模型已经开发出来，可以显示细胞对拉伸和其他运动的反应，因为它们只能在二维空间中移动。
格鲁克说:“通常情况下，如果你想给细胞增加拉伸或张力，你会把它们放在一个塑料盘子上，向一个或两个方向拉伸它们。”“在这项研究中，我们能够证明，在这种3D动态培养中，细胞可以存活长达72小时。
“这对干细胞特别有用，”格拉克补充说。“我们未来能做的是研究在细胞水平上施加机械应力会发生什么。你可以观察肌肉细胞，看看它们是如何发育的，或者看看机械作用是如何帮助细胞分化的。”
这项名为“材料性能对纤维形气动执行器性能的影响”的研究发表在致动器3月18日。艾米丽·彼得森(Emily Petersen)是作者之一。该研究由北卡州立大学纺织工程、化学和科学系授予方的启动资金资助。
这项名为“用于复杂3D动态培养系统的气动驱动纤维形机器人支架的开发”的研究发表在《科学》杂志的网上仿生学4月21日。除了Gluck、Hoque和Fang，合著者还包括Nasif Mahmood、Kiran M. Ali、Eelya Sefat、Yihan Huang、Emily Petersen和Shane Harrington。该研究由北卡罗来纳州立大学威尔逊纺织学院、纺织工程、化学和科学系以及威尔逊纺织学院研究机会种子基金项目资助。
-oleniacz -
给编辑的说明：研究摘要如下。
材料性能对纤维型气动执行器性能的影响
作者: Amdadul Hoque, Emily Petersen和Xiaomeng Fang
发表2023年3月18日致动器
文摘:薄纤维形状的气动人造肌肉(PAM)在受到刺激时可以产生收缩运动，众所周知，它具有良好的顺应性，高重量功率比，类似于动物肌肉运动，最重要的是，它能够集成到织物和其他可穿戴设备的纺织形式中。这种纤维形状的装置基于McKibben技术，由一个由编织套筒包裹的弹性体气囊组成，在膨胀时，由于套筒编织角度的变化，将径向膨胀转化为纵向收缩。本文研究了材料性能对纤维型PAM性能的影响，包括编织纱线和编织包的尺寸和力学性能。开发和表征了一系列纱线和膀胱参数组合的样品。通过多次校准和控制实验验证了PAM的鲁棒制造工艺，确保了执行器的更准确表征。结果表明，纱线刚度、纱线直径、包囊直径和包囊硬度等材料性能对pam的变形应变和产生的力有显著影响。研究结果可为未来纤维型气动执行器的设计和开发提供基础指导。
用于复杂三维动态培养系统的气动驱动纤维型机器人支架的研制
作者: Muh Amdadul Hoque*， Nasif Mahmood*， Kiran M. Ali, Eelya Sefat, Yihan Huang, Emily Petersen, Shane Harrington, Xiaomeng Fang和Jessica M. Gluck
*同样的贡献
发表2023年4月21日仿生学
DOI：10.3390 / biomimetics8020170
文摘:细胞可以感知人体中不同种类的连续机械应变并作出反应。机械刺激需要包含在体外培养系统中，以更好地模拟体内生物系统的现有复杂性。现有的商业动态培养系统一般是二维的，无法模拟三维的原生微环境。在本研究中，开发了一种气动驱动的纤维机器人作为三维动态细胞培养的平台。纤维机器人可以在受到刺激时产生可调节的收缩。纤维机器人的表面由编织结构形成，为细胞培养提供了良好的表面接触和足够的空间。使用纤维机器人进行内部动态刺激，以在受控环境中维持NIH3T3细胞。采用LIVE/DEAD™和alamarBlue™检测方法分析动态培养体系的生物相容性。结果表明，与静态培养相比，动态培养系统能够以最小的细胞毒性支持细胞增殖。然而，我们观察到在动态培养中，在高应变率的情况下，细胞活力下降。 Differences in cell arrangement and proliferation were observed between braided sleeves made of different materials (nylon and ultra-high molecular weight polyethylene). In summary, a simple and cost-effective 3D dynamic culture system has been proposed, which can be easily implemented to study complex biological phenomena in vitro.
