Cientistas do Centro RIKEN para Pesquisa de Dinâmica de Biossistemas (BDR) no Japão desenvolveram a primeira válvula de microchip alimentada por células vivas. O tecido muscular da minhoca permitia uma alta força contrátil que poderia ser sustentada por minutos, e ao contrário das válvulas controladas eletricamente, não requer nenhuma fonte de alimentação externa, como baterias.

Por várias décadas, pesquisadores têm tentado combinar sistemas microeletromecânicos (MEMS) com material vivo. Bio-MEMS tem muitas aplicações, variando de melhor administração de drogas e sensores ópticos e eletroquímicos a órgãos em chips. A equipe de pesquisadores de RIKEN BDR e Tokyo Denki University tem desenvolvido um bio-MEMS que é impulsionado por músculos reais, que pode ser útil em implantes cirúrgicos. Com base no projeto de micropomba on-chip, o novo estudo é a prova de conceito para uma válvula acionada por músculo no chip.

Na mecânica, um atuador é a parte de uma máquina que controla um mecanismo fazendo-o se mover, como a abertura e o fechamento de uma válvula. Os atuadores requerem uma fonte de alimentação e um sinal de controle, que são tipicamente corrente elétrica ou algum tipo de pressão de fluido. A principal vantagem de usar músculos como atuadores em sistemas bio-MEM é que eles podem ser alimentados da mesma forma que em corpos vivos:quimicamente. Para músculos, o sinal de contração é a molécula de acetilcolina - que é fornecida pelos neurônios - e a fonte de energia é o trifosfato de adenosina (ATP) - que existe dentro das células musculares.

"Nossos bio-MEMS não só funcionam sem uma fonte de alimentação externa, mas, ao contrário de outras válvulas acionadas quimicamente que são controladas por ácidos, nossa válvula acionada por músculos funciona em moléculas que são naturalmente abundantes em organismos vivos, "diz o primeiro autor Yo Tanaka de RIKEN BDR." Isso o torna bio-amigável e especialmente adequado para aplicações médicas nas quais o uso de eletricidade é difícil ou não recomendado. "

A equipe inicialmente determinou que uma pequena folha de 1 cm x 3 cm de músculo da minhoca poderia produzir uma força contrátil média de cerca de 1,5 mili-newtons em um período de 2 minutos quando estimulada por uma quantidade muito pequena de acetilcolina. Usando esses dados, eles constroem um canal de microfluido e válvula em um microchip de 2 cm x 2 cm que pode ser controlado pela contração / relaxamento do músculo da minhoca.

Para testar o sistema, eles usaram um microscópio para monitorar micropartículas em líquido marcadas com fluorescência à medida que fluíam através do microcanal. Quando a acetilcolina foi aplicada, o músculo se contraiu. A força resultante foi transduzida em uma barra que foi empurrada para baixo para fechar a válvula, que interrompeu com sucesso o fluxo de líquido. Quando a acetilcolina foi lavada, o músculo relaxado, a válvula reaberta, e o fluido fluiu novamente.

"Agora que mostramos que as válvulas acionadas por músculo no chip são possíveis, podemos trabalhar em melhorias que o tornarão prático, "diz Tanaka." Uma opção é usar células musculares cultivadas. Isso pode permitir a produção em massa, melhor controle, e flexibilidade em termos de forma. Contudo, teremos que levar em conta a redução na quantidade de força que pode ser produzida dessa forma, em comparação com as folhas de músculos reais. "O estudo foi publicado em Relatórios Científicos em 8 de julho.