Gli scienziati del RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research (BDR) in Giappone hanno sviluppato la prima valvola con microchip alimentata da cellule viventi. Il tessuto muscolare del lombrico permetteva un'elevata forza contrattile che poteva essere sostenuta per minuti, e a differenza delle valvole comandate elettricamente, non ha richiesto alcuna fonte di alimentazione esterna come le batterie.

Per diversi decenni, i ricercatori hanno cercato di combinare i sistemi microelettromeccanici (MEMS) con il materiale vivente. I bio-MEMS hanno molte applicazioni, che vanno da una migliore somministrazione di farmaci e sensori ottici ed elettrochimici a organi su chip. Il team di ricercatori di RIKEN BDR e della Tokyo Denki University ha sviluppato un bio-MEMS guidato da muscoli reali, che potrebbe essere utile negli impianti chirurgici. Basandosi sul design della micropompa su chip, il nuovo studio è il proof-of-concept di una valvola ad azionamento muscolare su chip.

Nella meccanica, un attuatore è la parte di una macchina che comanda un meccanismo facendolo muovere, come l'apertura e la chiusura di una valvola. Gli attuatori richiedono una fonte di alimentazione e un segnale di controllo, che sono tipicamente corrente elettrica o qualche tipo di pressione del fluido. Il vantaggio principale dell'utilizzo dei muscoli come attuatori nei sistemi bio-MEM è che possono essere alimentati allo stesso modo dei corpi viventi:chimicamente. Per i muscoli, il segnale per la contrazione è la molecola acetilcolina, fornita dai neuroni, e la fonte di energia è l'adenosina trifosfato (ATP), che esiste all'interno delle cellule muscolari.

"Non solo i nostri bio-MEMS possono funzionare senza una fonte di alimentazione esterna, ma a differenza di altre valvole ad azionamento chimico che sono controllate da acidi, la nostra valvola muscolare funziona su molecole che sono naturalmente abbondanti negli organismi viventi, ", afferma il primo autore Yo Tanaka di RIKEN BDR. "Questo lo rende biocompatibile e particolarmente adatto per applicazioni mediche in cui l'uso dell'elettricità è difficile o sconsigliato".

Il team ha inizialmente stabilito che un piccolo lembo di muscolo di lombrico di 1 cm x 3 cm potrebbe produrre una forza contrattile media di circa 1,5 milli-newton in un periodo di 2 minuti se stimolato da una quantità molto piccola di acetilcolina. Utilizzando questi dati, costruiscono un canale microfluido e una valvola su un microchip di 2 cm x 2 cm che potrebbe essere controllato dalla contrazione/rilassamento del muscolo del lombrico.

Per testare il sistema, hanno usato un microscopio per monitorare le microparticelle marcate con fluorescenza nel liquido mentre scorrevano attraverso il microcanale. Quando è stata applicata l'acetilcolina, il muscolo contratto. La forza risultante è stata trasdotta in una barra che è stata spinta verso il basso per chiudere la valvola, che ha fermato con successo il flusso di liquido. Quando l'acetilcolina è stata lavata via, il muscolo rilassato, la valvola si è riaperta, e il fluido tornò a scorrere.

"Ora che abbiamo dimostrato che le valvole a comando muscolare su chip sono possibili, possiamo lavorare su miglioramenti che lo renderanno pratico, " dice Tanaka. "Un'opzione è quella di utilizzare cellule muscolari coltivate. Ciò potrebbe consentire la produzione di massa, miglior controllo, e flessibilità in termini di forma. Però, dovremo tenere conto della riduzione della quantità di forza che può essere prodotta in questo modo rispetto ai fogli muscolari reali." Lo studio è stato pubblicato su Rapporti scientifici l'8 luglio.