生物混合致动器具有固有的安全性、高能效、低能耗、高敏感度以及自修复能力,为仿生机器人设计提供了新的思路。生物混合致动器的主要动力来源是可收缩的细胞或组织,在此之中,组织工程化骨骼肌具有细胞来源广、组织工程化难度低、可控性高、功率重量比高且可自修复等特性,使其成为最有潜力的生物混合致动器的动力来源。骨骼肌是常见的纤维状组织,其结构对其功能完整性及基于骨骼肌的致动器的应用场景具有重要影响,因此有必要在体外复制出其微纤维状结构。然而,现有的微纤维加工方法或由于其极端的加工条件不适宜于纤维状细胞衍生物的构建,或由于多步固化、离子型凝结剂暴露容易造成细胞损伤。天然骨骼肌长期处于机械场中,这对于骨骼肌的发育具有重要意义。然而,机械刺激诱导骨骼肌体外生成的系统性研究,受到设备复杂控制系统、较大占用空间或细胞高污染风险等限制,很难在培养系统中进行。另外,组织工程化骨骼肌有限的致动能力及寿命,为其在生物混合致动方面的应用带来了重重挑战。本论文从用于生物混合致动的组织工程化骨骼肌的需求出发,制备了致密排列、长寿命且高性能的基于明胶-甲基丙烯酰基(GelMA)微纤维的骨骼肌。主要研究内容和结果如下:1.仿骨骼肌胞外基质GelMA微纤维的制备。提出了基于有机硅管的无凝固浴法进行GelMA微纤维的加工,通过一次UV曝光获得数十厘米长的均质多孔微纤维。该方法易于操作、材料限制小且成本低,适用性广。通过改变曝光时间得到了结构和刚度类似于天然骨骼肌的微纤维。温和的加工条件和GelMA优异的物理特性避免了由于剪切应力、极端环境和离子凝结剂暴露引起的细胞损伤,有利于培养过程中营养物质的扩散和高细胞活性的维持,使其在骨骼肌组织工程中具有较大的应用潜力。2.单轴拉伸诱导微纤维状骨骼肌生成的研究。我们设计了基于柱-孔阵列的拉伸装置,将单轴拉伸用于GelMA微纤维中C2C12成肌细胞的行为调控。这种独立的小型化拉伸装置可重复使用、成本低、损耗低、灵活度高。通过将其与培养系统集成,为细胞机械响应的系统性分析提供了研究平台。单轴拉伸的施加有效改善了细胞的扩散、伸长和取向,显著增加了肌管的尺寸及成熟度,并在应变≥35%时达到饱和水平。以上结果表明单轴拉伸能够有效地促进微纤维状骨骼肌的生成和成熟。微纤维状骨骼肌的致动性能具有优异的可控性,且随着应变的增加,其致动能力明显提高,而致动模式则从扭转模式(应变<25%)转变为线性收缩(应变≥25%)。对机械刺激诱导微纤维中成肌细胞定向生长及骨骼肌生成的系统性分析,使我们对机械刺激在骨骼肌生成的各个阶段所起的作用有了更深入的了解。而单轴拉伸对微纤维状骨骼肌致动能力及致动模式的影响,使得生物混合致动器的定制更加便利,可拓宽其应用领域。3.微纤维状骨骼致动性能优化研究。为了提高微纤维状骨骼肌的细胞密度,本文引入了单轴拉伸与类胰岛素样生长因子-I(IGF-I)。它们共同作用,对微纤维状骨骼肌生成进行调控,明显促进了肌管密度和尺寸的增大,并延缓了肌管收缩能力随培养时间的衰减,有利于延长其使用寿命。为了改善微纤维状骨骼肌的致动性能,我们引入了电刺激训练。单轴拉伸、IGF-I与电刺激训练相结合,极大地促进成肌细胞的增殖和肌管的生成以及成熟,使肌管的收缩位移增大为原来的～3.2倍。这种具有高密度肌管序列、致动能力改善的微纤维状骨骼肌在生物混合致动方面具有巨大的应用潜力。基于以上内容,本论文的创新点如下:提出了一种基于有机硅管的无凝固浴的方法来制造微纤维状的仿骨骼肌胞外基质。设计了基于柱-孔阵列的小型化、低能耗的拉伸装置,用于细胞行为、骨骼肌生成及致动性能的调控。并且引入了单轴拉伸、IGF-I与电刺激训练的综合作用,使得微纤维状骨骼肌的致动性能得到大幅度提高,同时延缓了其功能的衰退,使其能够满足在生物混合驱动等方面的应用需求。