在兩項新的研究中，北卡羅來納州立大學的研究人員設計并測試了一系列紡織纖維，這些纖維可以改變形狀并產(chǎn)生像肌肉一樣的力量。在發(fā)表在《致動器》雜志上的第一項研究中，研究人員專注于材料對人造肌肉強度和收縮長度的影響。這些發(fā)現(xiàn)可以幫助研究人員為不同的應用定制纖維。

在發(fā)表在《仿生學》上的第二項概念驗證研究中，研究人員測試了他們的纖維作為活細胞支架。他們的研究結(jié)果表明，被稱為“纖維機器人”的纖維可用于開發(fā)人體中活的移動系統(tǒng)的3D模型。

“我們發(fā)現(xiàn)我們的光纖機器人是非常適合細胞的支架，我們可以改變頻率和收縮比，為細胞創(chuàng)造更合適的環(huán)境，”北卡羅來納州立大學紡織工程，化學和科學研究生Muh Amdadul Hoque說。“這些是概念驗證研究;最終，我們的目標是看看我們是否可以將這些纖維作為干細胞的支架進行研究，或者在未來的研究中使用它們來開發(fā)人造器官。

研究人員通過將一個由類似于橡膠的材料制成的氣球狀管子封裝在編織的紡織護套中來制造變形纖維。用氣泵給內(nèi)部氣球充氣會使編織護套膨脹，導致其縮短。

研究人員測量了由不同材料制成的纖維的力和收縮率，以了解材料與性能之間的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，更堅固、直徑更大的紗線會產(chǎn)生更強的收縮力。此外，他們發(fā)現(xiàn)用于制造氣球的材料會影響收縮的大小并產(chǎn)生力。

“我們發(fā)現(xiàn)我們可以根據(jù)設備所需的性能定制材料特性，”北卡羅來納州立大學紡織工程，化學和科學助理教授Xiaomeng Fang說。“我們還發(fā)現(xiàn)，我們可以使這種設備足夠小，因此我們可以將其用于織物形成和其他紡織品應用，包括可穿戴設備和輔助設備。

在一項后續(xù)研究中，研究人員評估了他們是否可以使用變形纖維作為成纖維細胞的支架，成纖維細胞是一種在結(jié)締組織中發(fā)現(xiàn)的細胞類型，有助于支持其他組織或器官。

“拉伸的想法是模仿身體運動的動態(tài)性質(zhì)，”北卡羅來納州立大學紡織工程，化學和科學助理教授，研究合著者杰西卡格魯克說。

他們研究了細胞對變形纖維運動的反應，以及對纖維結(jié)構(gòu)中使用的不同材料的反應。他們發(fā)現(xiàn)這些細胞能夠覆蓋甚至穿透纖維機器人的編織鞘。然而，當纖維機器人的收縮超過一定水平時，他們發(fā)現(xiàn)細胞的代謝活動下降，與由他們保持靜止的相同材料制成的設備相比。

研究人員有興趣在這些發(fā)現(xiàn)的基礎上，看看他們是否可以將這些纖維用作3D生物模型，并研究運動是否會影響細胞分化。他們說，他們的模型將比其他現(xiàn)有的實驗模型更先進，這些模型是為了顯示細胞對拉伸和其他運動的反應而開發(fā)的，因為它們只能在二維空間中移動。

“通常，如果你想在細胞上增加拉伸或應變，你會把它們放在塑料培養(yǎng)皿上，然后向一個或兩個方向拉伸它們，”格魯克說。“在這項研究中，我們能夠證明在這種3D動態(tài)培養(yǎng)中，細胞可以存活長達72小時。

“這對干細胞特別有用，”Gluck補充道。“我們未來可以做的是研究細胞水平上在細胞機械應力下會發(fā)生什么。你可以觀察肌肉細胞，看看它們是如何發(fā)育的，或者看看機械作用如何幫助區(qū)分細胞。