生物驱动器和传感器越来越多地应用于各类微型设备之中。据麦姆斯咨询报道，日本理化学研究所（RIKEN）生物系统动力学研究中心（BDR）及综合生物装置实验室（Laboratory for Integrated Biodevice）的科研人员开发出一种由刺激响应植物含羞草（沉睡的植物）驱动的微阀系统。与其它由活体细胞或组织驱动的人工装置不同，该系统通过降低和恢复含羞草分枝对外部物理刺激的反应来实现阀门的开闭控制。实验结果表明，一株成熟的未进行分枝削减处理的含羞草单枝产生的平均力为15.82 ± 0.7 mN。该力足以在30分钟的刺激恢复周期中驱动和保持阀门打开8.46 ± 1.33分钟。此外，两株分别削减了其它分枝的含羞草能够在20分钟的刺激恢复循环中保持阀门打开2.28 ± 0.63分钟。阀门的耐压性为4.2 kPa，响应时间为1.4秒。这种植物-微流控集成系统的演示激励科研人员开发涉及植物科学和植物能量收集的微流控平台的更多应用。
刺激未削减分枝的含羞草的其中一个分支时引起的重物位移
单株未削减分枝的含羞草其中一个分枝在受到刺激时驱动的微阀
由两株分别被削减分枝的新鲜含羞草单枝驱动的微阀
驱动器是不同系统中驱动步行、拉伸和游泳等各种运动的关键单元。但传统的驱动方法涉及复杂的组件、高度依赖外部电源和额外的触发机制。更重要的是，这些驱动方法依赖于外部能源，不是自驱动的，并且在小规模输出中控制不足，难以在有限的生物条件下应用。
因此，由活体生物材料驱动的系统通过解决这些传统驱动器的不足而逐渐引起了人们的注意。过去曾报道过许多生物驱动器，如细菌、神经细胞、血管或组织等，它们在各种应用中产生能量或提供动力源。特别是将这些活体驱动器与微机电系统（MEMS）技术相结合，实现了许多独特的片上应用。例如，在之前的研究中，科研人员开发了由蚯蚓肌肉、心肌细胞片和血管肌肉细胞驱动的生物驱动微流控阀和泵。此外，其它研究也报道了利用骨骼肌组织和心肌细胞收缩力成功地实现了微流控中的小物体运输和流体控制。
含羞草分枝产生的力的评估
然而，在实际应用中使用这些生物驱动器存在诸多限制。例如，神经元、血管或肠道等这些生物驱动器需要严格的环境控制、精细的处理和复杂的准备程序。此外，道德伦理仍然是其应用的关键限制因素。因此，目前生物应用首选没有这些顾虑的驱动器。
世界上大约有32万种植物是我们的食物、药品和衣服的主要来源。植物主要利用阳光通过光合作用不断产生能量来生长。此外，只要提供水、空气和光等必要元素，有些植物即使被切成薄片也能存活。更重要的是，与植物相关的实验较少受到道德伦理问题的困扰。尽管大多数植物通常被认为是不能活动的生物，但有些植物已经发展出一种感知环境刺激，并迅速做出反应的特殊能力。
含羞草就是这样一种典型的刺激响应型植物，被称为“可动植物”，它通过对各种外部刺激，如光、温度、机械力或昆虫和病原体攻击的反应，迅速收缩叶片，下垂枝条。含羞草的这种刺激响应行为已在电气、机械和生物医学等多个领域得到广泛研究。当刺激含羞草的枝条时，主茎上的枝条通过弯曲其叶枕而下垂。叶枕是一种关节状的凸起结构，控制着植物运动细胞的内部和外部离子浓度。这种重复的刺激响应特性使含羞草成为开发由刺激响应驱动的生物驱动器系统的理想候选者。此外，含羞草除具有上述植物的普遍优势之外，其高繁殖性和相对便宜的特性也有利于用于系统实验。
当考虑将含羞草应用于特定系统的创建时，微流控阀就是一个很好的示例。因为即使在植物驱动的相对较长的周期内，阀门也可以工作。微流控技术深入到生物学、化学和生物医学研究中。阀门是微流控系统中实现药物输送、生物医学检测、样品制备和生化分析等各种功能的重要部件。但传统的微流控阀门需要外部电源和控制系统来控制流量。此外，根据最近的报道，微流控正逐渐应用于各种与植物相关的研究，例如微流控中的植物尖端生长细胞、微流控中的植物根系研究和植物芯片研究。这些应用依赖于植物-微流控平台中样品体积精确可控的微流控独特优势。
但是，到目前为止，大部分植物-微流控平台都是为研究植物细胞的变异、生长和根系生物学而设计的。与以往的研究不同，这项研究的主要目的是建立一个植物驱动的微流控阀门。该阀门的驱动由含羞草分枝对外部刺激的反应控制。分枝的运动用于控制微流控芯片中阀门的打开和关闭状态。如下图所示。
含羞草驱动的微阀工作原理示意图
在这种植物驱动的阀门系统中，压力调节器不断地将稳定的流量输送到阀门中。刺激前，含羞草分枝保持在初始位置，其重量压下推杆。当可偏转的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄层阻塞一个孔口时，微通道断开，阀门处于关闭状态。但当分枝受到机械接触的刺激时（例如用镊子触及其枕叶），叶柄会向下弯曲，通过塑料线把重物拉起来。此时，阀门切换到打开状态。
该阀门如下图所示，由三部分组成：配重架、推杆和阀体。配重架在阀门的顶部。它的作用是引导重物在垂直方向上移动。中间的推杆用于将含羞草产生的力从重物传递到可偏转的PDMS薄层。而阀体由三个PDMS层组成，它们通过氧等离子体粘合在一起（如下图a所示）。使用硅片通过复制成型的方法将微通道压印在阀体内的通道层上。PDMS预聚物和光刻胶用于制造微流控装置。
微阀的组装
在该项研究工作中，科研人员展示了由含羞草的刺激响应力驱动的微阀系统。结果证实，含羞草分枝的这种应激反应可以用作动力源，并且可以与微流控阀门集成。
这项研究被认为首次展示了收集植物能量来驱动微流控阀门，以及将基于植物的驱动器与微流控系统集成。由于植物的膨胀、弯曲特性、自愈能力、刺激响应性和生物相容性等优势，基于植物的系统也吸引了与新能源勘探、环境传感器和智能设备，以及特殊阀门和生物通信设备相关的各种现代科学技术领域的目光。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41598-022-11637-3
延伸阅读：
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