[發(fā)明專利]一種基于血管化螺旋形人工肌肉驅動的仿生微夾鉗

有效

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• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112264943B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發(fā)明（設計）人: 孫韜;石青;王化平;黃強;福田敏男
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B25B5/06
• 分類號: B25B5/06
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 張潔;廖輝

本發(fā)明涉及一種基于血管化螺旋形人工肌肉驅動的仿生微夾鉗，屬于人工微鉗裝置技術領域。包括仿生微夾持機構、血管化螺旋形人工肌肉、電極組件、凹型基座和細胞培養(yǎng)液；仿生微夾持機構由U型段和仿生微鉗臂段組成，U型段底部固定在凹型基座內，仿生微鉗臂段由U型段的頂部延伸而出；U型段的兩側對稱開有凹槽；血管化螺旋形人工肌肉為微纖維纏繞在的凹槽內而成；微纖維內設有生物微纖維和微流道；生物微纖維內包裹有骨骼肌細胞，電極裝置為所述骨骼肌細胞提供電壓；使用時細胞培養(yǎng)液由所述微纖維的一端注入，另一端流出。所述裝微夾鉗通過微流道為骨骼肌細胞群灌流供養(yǎng)，并通過電刺激骨骼肌細胞群舒張/收縮，帶動仿生微夾持機構開啟/閉合。

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于血管化螺旋形人工肌肉驅動的仿生微夾鉗，屬于人工微鉗裝置技術領域。

背景技術

微型鉗子是自然界蝦類、蟹類、蝎類等生物常見的結構之一，億萬年的進化讓上述生物的微型鉗子具備目前人工系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)勢，如體積微小卻具有高能量轉換效率等。目前人工微鉗裝置雖然具有較高的操作精度，但內部運行機制仍以純機械電子方式為主，這種機械電子方式需要的外圍輔助設備復雜，同時占用空間較大，能量轉換效率低，從而無法實現(xiàn)整體裝置的微型化。

為了進一步提升機械電子式微鉗的能量轉化效率，同時實現(xiàn)人工微鉗的微型仿生構造，目前熱點關注類生命鉗子裝置的研究。類生命微鉗裝置是指將生物細胞驅動與傳統(tǒng)機電微鉗有機融合，形成一種真正微型化的新型鑷鉗裝置。目前微鉗的類生命化方法主要是基于肌細胞三維組裝形成肌肉組織，通過肌肉組織的主動或被動刺激跳動來實現(xiàn)生物驅動鉗狀機構的開關/閉合控制。通過引入肌肉細胞，可以有效提升人工鉗子的能量轉化效率，極大縮小外圍輔助設備的復雜度和體積，實現(xiàn)人工鉗子的微型化。

目前用于微鉗裝置驅動的人工肌肉組織主要是通過生物材料包裹肌肉細胞，并在對生物材料施加一定拉力的培養(yǎng)環(huán)境下，實現(xiàn)肌肉細胞的線性化排列，形成生物材料/肌細胞混合的人工肌肉環(huán)。然而，肌肉細胞的存活需要充足的營養(yǎng)物質供應，當細胞周圍包裹的生物材料厚度超過300微米時，就需要提供營養(yǎng)物質交換的通道。但現(xiàn)有的類生命微鉗的人工肌肉環(huán)由于缺乏類似人體的血管供養(yǎng)結構，導致無法實現(xiàn)肌細胞的長期生命維持。同時，由于供養(yǎng)系統(tǒng)的缺乏，也無法實現(xiàn)仿生類生命微鑷鉗的在空氣環(huán)境中的長時間工作。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有生物驅動微夾鉗缺乏細胞營養(yǎng)供應系統(tǒng)，無法在空氣環(huán)境中長期工作的問題，本發(fā)明提供了一種基于血管化螺旋形人工肌肉驅動的微夾鉗。所述裝置通過螺旋形排列的微流道為骨骼肌細胞群進行灌流供養(yǎng)，并通過電刺激螺旋形線性排列的骨骼肌細胞群舒張/收縮，帶動仿生微夾持機構開啟/閉合。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種基于血管化人工肌肉驅動的仿生微夾鉗，包括仿生微夾持機構、血管化螺旋形人工肌肉、電極組件、凹型基座和細胞培養(yǎng)液；

所述仿生微夾持機構為對稱一體化結構，由U型段和仿生微鉗臂段組成，所述U型段底部固定在凹型基座的凹型槽內，仿生微鉗臂段由U型段的頂部延伸而出；U型段的兩側對稱開有凹槽；

所述仿生微鉗臂段內側設有仿鍬甲上顎的尖銳微突起，外側沿豎直方向向外傾斜；

所述血管化螺旋形人工肌肉為微纖維自U型段兩側凹槽的一端纏繞至另一端而形成的空心長方體框結構；所述微纖維的材質為水凝膠材料，微纖維內沿長度方向設有生物微纖維和微流道；所述生物微纖維內包裹有骨骼肌細胞，所述生物微纖維的材質為能使得骨骼肌細胞粘附增殖的生物材料；

所述電極組件為所述骨骼肌細胞提供電壓；

使用時，所述細胞培養(yǎng)液由所述微纖維的一端注入，另一端流出。

優(yōu)選的，所述仿生微夾持機構的材質為SU-8光交聯(lián)材料。