生物混合致動(dòng)器具有固有的安全性、高能效、低能耗、高敏感度以及自修復(fù)能力,為仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了新的思路。生物混合致動(dòng)器的主要?jiǎng)恿?lái)源是可收縮的細(xì)胞或組織,在此之中,組織工程化骨骼肌具有細(xì)胞來(lái)源廣、組織工程化難度低、可控性高、功率重量比高且可自修復(fù)等特性,使其成為最有潛力的生物混合致動(dòng)器的動(dòng)力來(lái)源。骨骼肌是常見(jiàn)的纖維狀組織,其結(jié)構(gòu)對(duì)其功能完整性及基于骨骼肌的致動(dòng)器的應(yīng)用場(chǎng)景具有重要影響,因此有必要在體外復(fù)制出其微纖維狀結(jié)構(gòu)。然而,現(xiàn)有的微纖維加工方法或由于其極端的加工條件不適宜于纖維狀細(xì)胞衍生物的構(gòu)建,或由于多步固化、離子型凝結(jié)劑暴露容易造成細(xì)胞損傷。天然骨骼肌長(zhǎng)期處于機(jī)械場(chǎng)中,這對(duì)于骨骼肌的發(fā)育具有重要意義。然而,機(jī)械刺激誘導(dǎo)骨骼肌體外生成的系統(tǒng)性研究,受到設(shè)備復(fù)雜控制系統(tǒng)、較大占用空間或細(xì)胞高污染風(fēng)險(xiǎn)等限制,很難在培養(yǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行。另外,組織工程化骨骼肌有限的致動(dòng)能力及壽命,為其在生物混合致動(dòng)方面的應(yīng)用帶來(lái)了重重挑戰(zhàn)。本論文從用于生物混合致動(dòng)的組織工程化骨骼肌的需求出發(fā),制備了致密排列、長(zhǎng)壽命且高性能的基于明膠-甲基丙烯�；℅elMA）微纖維的骨骼肌。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.仿骨... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．丨由生物和非生物系統(tǒng)組成的生物混合機(jī)器人的比較［３］

?第一章緒論???１．２．１不可擴(kuò)展的生物混合致動(dòng)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??圖１．２?（Ａ）在微球上選擇性粘附細(xì)菌，用于驅(qū)動(dòng)載藥微珠運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行細(xì)菌介導(dǎo)的腫??瘤診斷１１５］。（Ｂ）以蚯蚓全肌肉組織為驅(qū)動(dòng)的微泵ｔｌ６］？??１．基于細(xì)菌和其他運(yùn)動(dòng)微生物的致動(dòng)器??微生物是自然界中常見(jiàn)的可移動(dòng)生物，可以用作生物混合機(jī)器人的致動(dòng)器［１７］。??這些可移動(dòng)微生物消耗簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（例如葡萄糖），由生物分子馬達(dá)產(chǎn)生驅(qū)??動(dòng)力，使它們能在液體環(huán)境中游泳或者在基質(zhì)上移動(dòng)［１Ｍ９］。由于其優(yōu)異的移動(dòng)性，??許多類型的微生物己被用于開(kāi)發(fā)生物混合機(jī)器人［１５’?１７’Ｍ］。微生物可以對(duì)多種環(huán)??境刺激產(chǎn)生響應(yīng)發(fā)生滑行，因此可以使用多種方法來(lái)控制單個(gè)微生物或一組微生??物的運(yùn)動(dòng)［２１］。通過(guò)對(duì)基于細(xì)菌的微游泳機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模和優(yōu)化可以使其應(yīng)??用于臨床診斷。Ｐａｒｋ等設(shè)計(jì)出了一種“細(xì)菌機(jī)器人”，通過(guò)將減毒鼠傷寒沙門氏菌??附著在聚苯乙烯微珠上，利用其對(duì)腫瘤球體的趨化能力，實(shí)現(xiàn)了靶向小鼠實(shí)體瘤??的腫瘤診斷（圖１．２Ａ）?［１５，２２］�；谖⑸锏闹聞�(dòng)器通常具有體積�。ǎ保辰些枺�、??動(dòng)力強(qiáng)、容易操控、能效高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以適用于在復(fù)雜環(huán)境中??的生物混合致動(dòng)［３］。??２．基于外植全肌肉組織的致動(dòng)器??為了增加生物混合系統(tǒng)的尺寸，需要更大的生物致動(dòng)單元，而肌肉組織是達(dá)

?第一章緒論???構(gòu)的不同，具有不同的應(yīng)用場(chǎng)景。Ｔａｎａｋａ等人用薄膜狀的蚯蚓肌肉組織作為生物??致動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)微泵。該生物致動(dòng)器能夠產(chǎn)生９．３３?ｍＮ的收縮力，從而驅(qū)動(dòng)微泵，??并實(shí)現(xiàn)５．０升／分鐘的泵流速（圖１．２Ｂ）?外植全肌肉組織具有較大的輸出力，??使其具備驅(qū)動(dòng)較大結(jié)構(gòu)的能力，適用于大尺寸的生物混合系統(tǒng)。??１．２．２可擴(kuò)展的生物混合致動(dòng)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?＾??圖１．３?（ａ）以昆蟲(chóng)自收縮背血管組織（ｄｖ）作為驅(qū)動(dòng)的可在空氣中使用的微鑷子??［Ｍ】。（Ｂ）以心肌細(xì)胞作為驅(qū)動(dòng)的微發(fā)電機(jī)［２５】》（Ｃ）以光基因修飾的心肌細(xì)胞作為動(dòng)??力，驅(qū)動(dòng)仿生魔鬼魚(yú)的定向游動(dòng)［２６］？?（Ｄ）由一對(duì)括抗的工程化骨骼肌提供動(dòng)力的生物??混合機(jī)器人１２？１。??１．基于昆蟲(chóng)自收縮組織的致動(dòng)器??與哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類甚至更大的脊椎動(dòng)物相比，昆蟲(chóng)通常可以承受環(huán)境因素（溫??度、滲透壓、氧氣供應(yīng)和ｐＨ值）較大幅度的波動(dòng)，能夠在復(fù)雜的外部和內(nèi)部條??件下生存。因此，研究人員提出了一種基于昆蟲(chóng)自收縮背血管組織（ＤＶ）（對(duì)應(yīng)于??哺乳動(dòng)物心臟組織）的致動(dòng)器，以增強(qiáng)生物混合設(shè)備的耐用性。單個(gè)ＤＶ組織的??尺寸可達(dá)厘米級(jí)，其收縮力約為ｌＯＯ＾Ｎ，由于其合適的尺


本文編號(hào)：3595005