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「筋肉」機器人

昱夫
・2014/07/02 ・940字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

musclepowere

變形金剛?那還不夠炫拉,在此為您介紹「筋肉」機器人~

印象中,機器人總是以電路和硬質的關節、骨架組成,透過電路訊號完成機器操作;而現在, 新一代的生物機器即將顛覆你的想像!伊利諾大學香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的Rashid Bashir團隊,在近期的Proceedings of the National Academy of Science期刊上發表了一款利用生物肌肉與3D列印骨架組合而成的「筋肉」機器人[1]。

這已經不是Bashir的團隊第一次發表生物性機器人,作為此領域的先驅,他們一直致力于發展微型生物性機器人(小於1公分),希望能應用在藥物輸送、標靶治療上。過去他們曾使用鼠類的心臟細胞作為馬達來驅動3D列印製成的骨架,使其能夠完成走路的動作,但是由於該細胞會自主收縮,造成設計者無法有效控制運動的狀況。

有鑒於先前的缺點,新款的筋肉機器人使用了骨骼肌取代心臟細胞作為運動馬達,並透過電流脈衝來控制它的收縮。如影片所示,機器人的構造分成三部分:1. 3D列印製作而成的水凝膠骨架,它作為支撐整個機器人的結構主體,並具備一定柔軟性提供機器人運動的空間; 2. 作為運動馬達的骨骼肌細胞;3. 連接骨骼肌與骨架的接點,整體的結構是模仿生物「肌肉-肌腱-骨架」的構造而設計,兩側的接點同時也作為機器人行走時的「腳」。當電流脈衝輸入到骨骼肌內,骨骼肌便會收縮帶動機器人行走,機器人運動的速度可以根據電流脈衝的頻率來做調整,頻率越快機器人運動越快。

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這款設計有幾項明顯的優勢,像是使用3D設計的骨架,可以提供未來的設計者更多的變化可能,設計者可以根據自己的需求重新更換骨架零件來達到不同功能;再者,可以精準調控運動的速度,提高了使用的泛用性。

未來,研究團隊希望能將這款筋肉機器人的功能進一步提升,像是加入神經元和受器使其能夠針對不同外界刺激或是不同化學物質濃度來執行具方向性的運動。「我們的目標是希望將這款機器發展成一套感應型的標靶藥物輸送載體,當機器在人體內偵測到特定的化學物質濃度變化(可能是疾病造成),便會主動向病灶移動並釋放出藥物,而現在這款能夠精密控制的筋肉機器人正是邁向夢想的一大步」Bashir說道。

參考資料:

  1. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle, PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1401577111

資料來源:Muscle-powered bio-bots walk on command PHYS.ORG [June 30, 2014]

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昱夫
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PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

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不是鐵腿!運動後全身無力、尿變深色,小心橫紋肌溶解症
careonline_96
・2025/11/23 ・3014字 ・閱讀時間約 6 分鐘

你可能聽過這樣的新聞:「工程師請健身教練,深蹲後腿軟,小便如醬油,原來是橫紋肌溶解症」。或是「毒趴上使用多種毒品與酒精,合併橫紋肌溶解症與多重器官衰竭致死。」


那究竟什麼橫紋肌溶解症呢?

橫紋肌溶解症(rhabdomyolysis)是骨骼肌受到直接或間接的傷害。當肌肉纖維死亡時,釋放了原本待在肌肉細胞內的物質,像是鉀離子、尿酸、肌酸激酶(creatine kinase,縮寫為CK)、肌紅素(myoglobin),這些都是潛在有害物質,大量進到血流後,會嚴重影響腎臟功能和心律,引發一連串的身體問題。若沒有及時處理,這是有機會致死的疾病!任何年紀的人都可能發生橫紋肌溶解症,以發生率來看的話,成人的比率較孩童來得高。


所以有哪些狀況會導致橫紋肌溶解症呢?

想當然耳,肌肉受到外傷,長時間的擠壓,就是最可能的原因之一。醫界剛開始理解這個病,就是二次戰爭中受到壓碎性損傷患者而起的。所以車禍、墜樓這種讓肌肉因強力擠壓受傷的情況,就很有機會導致橫紋肌溶解症。有些人則是因為酒醉不醒,直挺挺地躺在硬地板上,長時間固定姿勢而導致肌肉受到擠壓,這樣也會有肌肉受傷,引發橫紋肌溶解症。地震後若有樓房倒塌,被救出的倖存者身體部分區塊曾被壓在重物之下一段時間,也很有機會得到橫紋肌溶解症。

還有,如果復仇者聯盟第一集裡黑寡婦被重物壓住更久,就不太可能一起身就能跑跳抵擋浩克攻擊,而會因為橫紋肌溶解症而超沒力啊!另外,受到電擊、被蛇咬這類型的外傷,也要很小心橫紋肌溶解症的可能性。

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有些人受的不是外傷,而是「內傷」!像是過度使用肌肉,從沒做過訓練的人突然做了一百次深蹲,突然被處罰做三百次的開合跳,或是突然癲癇發作了三十分鐘,這類過度肌肉使用都會讓人陷入橫紋肌溶解症的危險。這時若環境炎熱濕度高,不易排汗散熱,患者中暑、體溫過高,狀況就雪上加霜。

另外一大類的患者沒有外傷,也非過度使用肌肉,但身體出現了其他代謝上的問題,像是有敗血症、酮酸中毒、酒精濫用,吸食海洛英、古柯鹼、安非他命等毒品,都有機會得到橫紋肌溶解症。開毒趴後喪命的患者很有可能就與橫紋肌溶解症脫不了關係。

橫紋肌溶解症的症狀可以是局部性,也可以影響全身。患者常會出現肩膀、大腿、下背部的肌肉疼痛;抱怨肌肉無力,手腳動彈不得;且注意到尿液顏色很深,像是醬油,且尿量變少。有些患者還會有腹痛、噁心嘔吐、發燒、心跳加速等症狀。雖然我們稱「肌肉痛、全身沒力、尿液顏色變深」這三樣為橫紋肌溶解症的典型症狀,但其實臨床症狀的變化度很大,要出現典型症狀的患者大約還不到一半呢!

因此,在懷疑橫紋肌溶解症除了靠患者症狀之外,很重要的就是患者給的資訊!像是他下午接受了過度的重訓,半夜鐵腿到急診;或是大熱天患者去路跑又中暑;飲酒喝到癱在路上;或被倒塌的重物壓在底下很久。這些資訊就會在醫師腦海裡放進了「橫紋肌溶解症」的可能性。

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抽血檢查可以讓醫師了解患者的腎臟功能、血中各離子濃度、及凝血時間,剛剛我們說過肌肉受傷後會釋出的物質,在檢查時會數值偏高,像是抽血發現血中鉀離子高、磷離子高、尿酸高。還有一個很重要的數值是肌酸激酶 – CK,肌肉受傷後十二小時,CK值(肌酸激酶)就會爬高,到肌肉受傷後一到兩天內則會爬升到最高點,之後再每日遞減,約三到五天後緩解。測量血液中的CK值超過上限的四到五倍以上,就很有可能是橫紋肌溶解症,甚至常有橫紋肌溶解症患者其CK值常常會達到或超過正常範圍的一百倍以上!除了診斷,我們也可以用CK值了解患者狀況,如果過了兩天患者CK值還是沒有降下來,代表肌肉可能還在繼續受傷,還在釋放更多肌酸激酶。

前面曾經提到,肌肉分解後產生會釋放出肌酸激酶(CK)與肌紅素(myoglobin),那抽血驗肌紅素可以嗎?肌紅素半衰期短,因此抽血驗並不準,但我們可以做尿液檢查,看看尿液中的肌紅素含量!如果升高也要懷疑橫紋肌溶解症

至於影像檢查能提供的幫忙不大,除非是用核磁共振或電腦斷層來找出肌肉受傷的原因,或追查為何會癲癇。若懷疑橫紋肌溶解症,很多時候醫師還會安排心電圖,因為過高的鉀離子會影響心臟搏動,要立即處理。


橫紋肌溶解症患者嚴重程度不一,可以是沒症狀,剛好抽血發現血液中的肌肉酵素升高。但嚴重的會帶來電解質不平衡、急性腎臟傷害、心跳停止等併發症。肌肉大量受傷分解後產生的肌紅素會超過身體負荷,要靠腎臟排出時,過量的肌紅素會卡在腎小管並讓腎臟細胞缺血受傷,因而引發急性腎臟傷害,甚至到急性腎衰竭的程度。肌肉細胞大量受傷的同時也會放出很多細胞內的鉀離子,讓血液中的鉀離子濃度升高,促使心跳速度變不規則,甚至心跳暫停。

因此治療橫紋肌溶解症,時機很重要!早期發現,並讓患者及時接受處理,才有百分之百康復的機會。如果醫療介入時機不夠早,患者後遺症就多。治療的首選可說是輸液治療,白話一點就是灌比較多的液體進到患者身體,讓病人腎臟能夠製造足夠的尿液,藉此排除身體累積的大量代謝廢物。如果患者情況已經嚴重到急性腎衰竭,腎臟已經當機失能的話,則需要安排緊急透析治療,也就是俗稱的洗腎,幫助患者排除廢物和維持電解質平衡。

當然,搞清楚造成患者橫紋肌溶解的原因是很重要的,是藥物、是中暑、還是嚴重的外傷,患者要面對的關卡並不太一樣。若是給予輸液治療時引發了腔室症候群,就是局部肌肉壞死且局部蓄積了過大的壓力,要考慮筋膜切開來減壓。如果與糖尿病甲狀腺問題、或其他藥物有關,也需要適時處理代謝問題。

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最後我們要呼籲大家,雖然養成運動習慣強健身體很棒,但請大家不要突然去做過度費力、超出自己負荷太多的運動,且在運動時要注意環境,看看氣溫、濕度是否讓你覺得太吃力,並在運動時適時補充足夠的水分。還有,若原本就有代謝疾病,記得讓醫師診治監控狀況。如果孩童反覆發作橫紋肌溶解症,記得找找看是否有肌肉的疾病或代謝的疾病

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手腳麻木、心跳變慢?洗腎患者當心高血鉀警訊
careonline_96
・2025/10/19 ・2209字 ・閱讀時間約 4 分鐘

心律不整、手腳麻木,洗腎患者當心高血鉀!高血鉀控制治療解析,腎臟專科醫師圖文懶人包

「有位七十歲患有糖尿病的男性患者,他第一次接受透析是因為高血鉀症且全身無力。」大雅長安診所院長呂國樑醫師表示,「後續,患者開始長期在診所接受血液透析,每週三次。但是,在非透析日還是常常出現全身無力或心跳過慢的情況,而需緊急送醫。急診的檢查結果顯示血鉀偏高,然而患者對陽離子交換樹脂的治療接受度較差,導致高血鉀問題反覆出現。」

在接受血液透析的患者中,死亡風險會隨著血鉀濃度上升而提高,且經常反覆發生,復發間隔會越來越短。「已經接受洗腎的患者,仍有可能出現高血鉀。」呂國樑醫師說,「因為洗腎患者的腎功能喪失,需依賴血液透析或腸道排出鉀離子。可是在透析後,細胞中的鉀離子可能進入血液中,如果飲食中又攝取較多鉀離子,便容易出現高血鉀,尤其在非透析日,鉀離子會持續累積。」

晶體鉀離子結合劑與陽離子交換樹脂

口服陽離子交換樹脂可以吸附腸道中的鉀離子,阻止其被人體吸收,不過可能造成便秘、潰瘍等腸胃副作用,而且因為顆粒粗、口感常被認為類似沙子,導致患者服用意願較低。晶體鉀離子結合劑的專一性高,對鉀離子的結合能力遠高於鈣離子或鎂離子,因此療效較佳且副作用較低,適用於慢性腎臟病患者、心衰竭患者,以及長期接受血液透析的患者。不僅能快速降低鉀離子濃度,且有良好的耐受性。醫師會根據患者的狀況調整劑量,請遵照主治醫師指示服藥。

高血鉀症容易復發,嚴重恐猝死

一般成年人血液中的鉀離子濃度介於 3.5 至 5.5 mEq/L,當鉀離子濃度偏高時,稱為高血鉀症(Hyperkalemia)。呂國樑醫師指出,鉀離子是維持神經傳導與肌肉收縮的重要離子,血液中的鉀離子大部分由腎臟透過尿液排出,少部分由腸道排出。若是腎功能正常,血液中的鉀離子濃度可維持在正常範圍內,但是腎功能不佳的患者,若食用到高鉀食物,例如菠菜、香蕉等,便容易出現高血鉀的狀況。

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鉀離子濃度過高或時高時低可能出現多種症狀,包括噁心想吐、腹瀉、手腳麻木、肌肉無力等,嚴重可能導致心律不整,甚至心跳停止、猝死。

高血鉀的治療策略包括實行低鉀飲食、調整藥物、口服晶體鉀離子結合劑或陽離子交換樹脂等。「有患者會抱怨低鉀飲食影響食慾,導致心情低落。」呂國樑醫師說,「家屬在得知有晶體鉀離子結合劑能幫助降低血鉀、減少飲食限制後,便決定開始使用,讓患者的胃口變好,精神也有了改善。」「腎素-血管張力素-醛固酮系統抑制劑」(RAASi)常用於控制血壓、保護腎臟和心臟,但是可能導致鉀離子留存在體內,而需要調整藥物。

管理高血鉀

洗腎患者在採用低鉀飲食時,要注意營養均衡,可以吃米飯、蛋、豆、魚肉等,要避免乳製品、香蕉等高鉀食物。呂國樑醫師提醒,請務必依照指示服藥,並持續監測血鉀濃度。降血鉀藥物的進步,不但讓高血鉀患者在治療上有多種選擇,也有助於提升其治療成效與服藥意願,降低高血鉀的風險且兼顧生活品質!

洗腎患者的高血鉀雖不一定會隨時有症狀,不易留意但卻是不可忽視的重要危險因子,最嚴重可能造成心跳停止與死亡,若有任何疑慮請務必與主治醫師討論相關治療建議。

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筆記重點整理

  • 鉀離子是維持神經傳導與肌肉收縮的重要離子,鉀離子濃度過高或時高時低可能出現多種症狀,包括噁心想吐、腹瀉、手腳麻木、肌肉無力等,嚴重可能導致心律不整,甚至心跳停止、猝死。
  • 晶體鉀離子結合劑的專一性高,對鉀離子的結合能力遠高於鈣離子或鎂離子,因此療效較佳且副作用較低,適用於慢性腎臟病患者、心衰竭患者,以及長期接受血液透析的患者。不僅能快速降低鉀離子濃度,且有良好的耐受性。醫師會根據患者的狀況調整劑量,請遵照主治醫師指示服藥。
  • 陽離子交換樹脂可以吸附腸道中的鉀離子,阻止其被人體吸收,不過可能造成便秘、潰瘍等腸胃副作用,而且因為顆粒粗、口感常被認為類似沙子,導致患者服用意願較低。
  • 高血鉀的治療策略包括實行低鉀飲食、調整藥物、口服晶體鉀離子結合劑或陽離子交換樹脂等。「腎素-血管張力素-醛固酮系統抑制劑」(RAASi)常用於控制血壓、保護腎臟和心臟,但是可能導致鉀離子留存在體內,而需要調整藥物。
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從運動場到急診室:肥厚型心肌病的潛在危機
careonline_96
・2024/09/11 ・2473字 ・閱讀時間約 5 分鐘

圖/照護線上

肥厚型心肌病是種因為心臟肌肉的變化而帶來的問題。通常是因為基因體顯性遺傳,影響了肌小節的肌纖維排列,導致心臟肌肉變得肥厚,尤其是左心室與右心室之間分隔的心肌最容易出現肥厚變化。除了心肌變肥厚,還會讓左心室變得僵硬、延展性小,因此帶來不少問題。

心臟肌肉變得肥厚,會出現什麼問題嗎?

當聽到心臟肌肉變肥厚,或許有人會誤以為這是件好事,會讓心臟肌肉變得功能更強大,其實不然。左心室的任務是在舒張時接收從左心房來的血液,再收縮將心室內的血液送往主動脈。過度肥厚的心臟肌肉會讓左心室的空間變小,承收不了太多的血液,阻擾了血流的正常運行,讓心肌還要收縮地更出力才能運送血液進主動脈。左心室內阻力變高的時候,同時也會影響二尖瓣的功能,血液更容易逆流回到左心房。

肥厚型心肌病的影響
圖/照護線上

就算沒有阻塞心臟血流運行,心肌在收縮的時候並不會因為心肌變肥厚而有力,反而是變得比較僵硬,比較難適當地延展。當血流從左心房送往左心室時,心臟肌肉需要延展,才有利於”hold”住足量的血液。當心肌變得肥厚僵硬的時候,左心室難以延展讓血流進入,之後左心室能打出去送往主動脈的血液量就變少了。

另外一個影響到的是心臟肌肉纖維的排列,若從顯微鏡下觀察肥厚型心肌病者的心臟肌肉排列,會看到心肌細胞排的並不規律,亂亂的,與正常狀況排的整整齊齊的樣子並不同。因此,這些不整齊的心肌排列會影響到心臟內電路訊息的傳遞,甚至更容易刺激出心律不整。

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肥厚型心肌病的症狀

許多患者並不知道自己有肥厚型心肌病,因為症狀可能不嚴重,會甚至根本沒有症狀。若有症狀,常常是從青春期之後開始出現。

  • 運動時,吃飽飯後,或活動量大的時候,感覺到胸痛及喘不過氣
  • 容易在運動中或運動後感到疲憊,頭重腳輕,快暈倒的樣子
  • 心跳突然變很快,撞擊很大的感覺,也就是心律不整
肥厚型心肌病的症狀
圖/照護線上

肥厚型心肌病的併發症

雖然有些人帶有造成肥厚型心肌病的遺傳基因,卻一輩子都沒有症狀;也有些人雖然有症狀,但並不嚴重,不需要每天服用藥物控制。基本上,多數肥厚型心肌病患者可以有與一般人相同的預期壽命年限,也能維持不錯的生活品質,但還是要注意幾件事:

  • 心因性猝死

肥厚型心肌病會引發心室頻脈等心律不整,因此是 35 歲以下突發心因性猝死最常見的原因。有些運動員突然在田徑場上猝死的原因就是肥厚型心肌病。

  • 心臟衰竭

心臟是個幫浦,將血液送往主動脈,再到全身。心臟衰竭代表心臟身為幫浦的功能變差了,無法打出足量的血液到主動脈。前面提到肥厚型心肌病會讓左心室的空間變少,延展彈性變小,進入左心室的血液變少,也就比較難打出足量的血液進到主動脈,因而導致心臟衰竭。

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肥厚型心肌病的檢查與治療

當醫師從患者家族病史、個人病史、身體檢查等狀況懷疑有肥厚型心肌病的可能時,會安排心臟超音波檢查,看看是否有心室中膈變肥厚的證據。針對有家族遺傳史,但自身無症狀的人來說,可以考慮在 30 歲之後定期每三年接受心電圖與心臟超音波檢查。

在治療方面,要看患者的臨床症狀與心臟超音波檢查的結果而定。對沒有症狀的患者來說,調整生活習慣,減少劇烈運動活動或許就已足夠。另外一定要讓患者了解,務必「避免脫水」。因為有肥厚型心肌病的時候,進到左心室的血流本身就比較少,若再因為喝的水分不足脫水,在炎熱天氣下脫水,或使用了利尿劑或血管擴張劑,都會讓症狀加劇。

肥厚型心肌病的處理方式
圖/照護線上

對已有胸痛、喘不過氣的人來說,可以用乙型阻斷劑藥物或鈣離子阻斷劑,放慢心跳速度。心跳速度慢一點,可以增加左心室放鬆舒張的時間,盡量增加左心室內的血流量,之後左心室收縮打出血液的效率會比較好。

如果藥物的成效不彰,要考慮侵入性治療,像是利用手術或燒灼方式改變心室中膈的厚度,減少心肌肥厚造成心室空間減少的影響。萬一患者家族裡有人曾有心因性猝死,本身曾經暈倒好幾次,曾有心律不整,或有嚴重的臨床症狀,就要考慮放置心臟節律器來避免猝死。若肥厚型心肌病已經造成心臟衰竭,心臟移植就成了治療選項之一。

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