القلب القائم على خلايا العضلات المحرك و بيوروبوت الاستقرار الذاتي - الجزء 1
Summary
في هذه الدراسة من جزئين، تم تطوير المحرك البيولوجي باستخدام بوليتيميثيلزيلوكسان مرنة للغاية (بدمس) الكابولي وخلايا العضلات الحية (العضلية)، وتتميز. تم تأسيس المحرك البيولوجي مع قاعدة مصنوعة من المواد المعدلة بدمس لبناء الذاتي الاستقرار، بيوروبوت السباحة.
Abstract
الآلات البيولوجية غالبا ما يشار إليها باسم بيوروبوتس، هي الخلايا الحية أو الأنسجة القائمة على الأجهزة التي تعمل فقط من قبل النشاط مقلص من المكونات الحية. ونظرا لمزاياها الكامنة، تكتسب بيوروبوتس اهتماما كبديل للروبوتات الاصطناعية التقليدية تماما. وقد ركزت دراسات مختلفة على تسخير قوة المحركات البيولوجية، ولكن الدراسات التي أجريت مؤخرا فقط وصفت كميا أداء بيوروبوتس ودرس هندستها لتعزيز الأداء الوظيفي والكفاءة. هنا، علينا أن نبرهن على تطوير بيوروبوت السباحة الاستقرار الذاتي التي يمكن الحفاظ على الملعب، وعمق، ولفة دون تدخل خارجي. تصميم وتصنيع السقالات بدمس للمحرك البيولوجي والبيوروبوت تليها فونكتيوناليزاشيون مع فبرونيكتين يوصف في هذا الجزء الأول. في الجزء الثاني من هذه المادة من جزأين، ونحن بالتفصيل دمج عضلة القلب وتوصيف أكتو البيولوجيةأتور و بيوروبوت وظيفة. كلاهما يتضمن قاعدة والذيل (ناتئ) التي تنتج الدفع القائم على الزعنفة. الذيل هي التي شيدت مع تقنيات الطباعة الحجرية لينة باستخدام بدمس والنقش بالليزر. بعد دمج الذيل مع قاعدة الجهاز، فمن فونكتيوناليزد مع بروتين لاصقة الخلية والمصنفة كونفلنتلي مع كارديوميوسيتس. قاعدة المحرك البيولوجي يتكون من كتلة بدمس الصلبة مع حبة الزجاج المركزي (يعمل كوزن). قاعدة بيوروبوت يتكون من اثنين من المواد بدمس مركب، ني بدمس و ميكروبالون-بدمس (مب-بدمس). مسحوق النيكل (في ني بدمس) يسمح السيطرة المغناطيسية من بيوروبوت خلال الخلايا البذر والاستقرار أثناء الحركة. ميكروبالونس (في مب-بدمس) تقليل كثافة مب-بدمس، وتمكين بيوروبوت لتطفو والسباحة بشكل مطرد. استخدام هاتين المادتين بكثافة كتلة مختلفة، مكنت التحكم الدقيق في توزيع الوزن لضمان قوة استعادة إيجابية في أي زاوية من البيوروبوت. هذه التقنيةتنتج بيوروبوت السباحة التي تسيطر عليها مغناطيسيا الذاتي الاستقرار.
Introduction
ويجري النظر بنشاط في المحركات البيولوجية والبيوروبوتات لتوفير بديل للروبوتات التقليدية للعديد من التطبيقات. بيوروبوتس التي المشي 5 ، 6 ، 7 ، 8 ، السباحة 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، مضخة 9 ، 10 ، أو قبضة 11 ، 12 ، 13 قد وضعت بالفعل. وبالمثل، يمكن دمج الخلايا العضلية في هيكل بدمس تدحرجت 3D 14 . في كثير من الأحيان، يتم تصنيعها العمود الفقري بيوبوبوت باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية لينة مع مواد مثل الهلاميات المائية و بدمس (بوليديميثيلزيلوكسان). هذه هي خيارات جذابة بسبب مرونتها، بيوكومباتيبوالصلابة بسهولة الانضباط. وعادة ما تدمج خلايا العضلات الحية مع هذه المواد لتوفير توليد القوة من خلال الانكماش. خلايا عضلة القلب الثدييات (خلايا عضلية) وخلايا العضلات والهيكل العظمي قد استخدمت بشكل مهيمن ليشتغل. إلى جانب هذين، تم استخدام أنسجة العضلات الحشرية لتشغيل بيوروبوتس في درجة حرارة الغرفة 3 . في هذه الدراسة من جزأين، تم اختيار كارديوميوسيتس بسبب انكماش عفوية 6 .
وقد ركز الكثير من البحوث السابقة على بيوروبوتس على تطوير المحركات البيولوجية في حين تم الاستغناء إلى حد كبير من العمارة بيوروبوت وتطور وظائف أساسية لل بيوروبوتس إلى حد كبير. في الآونة الأخيرة، أظهرت بعض التقارير تنفيذ مختلف أساليب السباحة التي كانت مستوحاة من وسائط الدفع وجدت في الطبيعة. وتشمل هذه الأساليب أفلام بدمس وخلايا العضلات لتقليد مختلف طرق الدفع الطبيعي. على سبيل المثال، دفع سائل القائم 1 ، بيوميمتيك قنديل البحر الدفع 2 ، الحيوي الهجين راي 4 ، وأجهزة رقيقة بدمس السباحة 13 تم الإبلاغ عنها.
في هذه الورقة، نقدم عملية تلفيق بيوروبوتس السباحة الاستقرار الذاتي التي يمكن الحفاظ على عمق الغمر وكذلك الملعب ولفة. بيوروبوت لديها قاعدة صلبة أو الجسم، الذي يدفعه ناتئ واحد مع كارديوميوسيتس تعلق على سطحه. وتسبب الخلايا العضلية في انحناء ناتئ في اتجاه طولية عند التعاقد. هذا النوع من السباحة تصنف على أنها السباحة النبضية. القدرة على إضافة وظائف إضافية على القاعدة هي ميزة فريدة من نوعها للسباحة النبضية. على سبيل المثال، يمكن استخدام القاعدة لتوفير الطفو الزائد لحمل شحنات إضافية أو دوائر التحكم لانكماش كارديوميوسيت.
المزيدمن بيوروبوت غالبا ما يتم تجاهلها في الدراسات السابقة من بيوروبوتس. في هذه الدراسة، نفذنا الاستقرار الذاتي من خلال تصميم قاعدة مع مواد بدمس مركب مختلفة من كثافات الكتلة متفاوتة. وبالتالي بيوروبوت يظهر مقاومة للاضطرابات الخارجية ويحافظ على عمق الغمر، الملعب ولفة، دون مساعدة. الطبقة الأولى هي ميكروبالون بدمس (مب-بدمس)، أي بدمس مختلطة مع ميكروبالونز، مما يقلل من كثافة بيوروبوت، مما يتيح لها أن تطفو في وسائل الإعلام. الطبقة الثانية هي ناتئ بدمس، ويتم تصميم سمكه بحيث القوة التي تولدها الخلايا العضلية يمكن أن ينحني بشكل كبير ناتئ من 45 درجة إلى 90 درجة. الطبقة السفلى هي النيكل بدمس (ني بدمس)، أي بدمس مختلطة مع مسحوق النيكل. تؤدي هذه الطبقة وظائف متعددة. فمن المغناطيسي، وبالتالي يسمح بيوروبوت أن ترسو في الجزء السفلي من المتوسطة، خلال زرع الخلايا، مع المغناطيس. خليط النيكل هو أعلى كثافة من مب-بدمس ومتوسطة، وضمان وضع مستقيم من بيوروبوت في حين العائمة. وزن هذه الطبقة يولد عزم استعادة على بيوروبوت في أي الملعب ولفة. أيضا، فإن نسبة حجم بين ني بدمس و مب-بدمس يحافظ على عمق الغمر. البروتوكولات المقدمة ستكون مفيدة للغاية للباحثين المهتمين في وصف قوة الضرب من خلايا العضلات والأنسجة، وكذلك أولئك الذين يرغبون في بناء بيوروبوتس السباحة.
يتم وصف البذر من المحرك البيولوجي فونكتيوناليزد وأجهزة بيوروبوت، وتوصيف الميكانيكية والبيوكيميائية للخلايا، والتحليل الكمي لوظيفة الجهاز بالتفصيل في الجزء 2 من هذه المادة من جزأين وكذلك في العمل الأخير 15 .
Protocol
Representative Results
Discussion
ويمكن العثور على آليات التنقل المختلفة بين السباحين المائية 16 . آلية الحركة من بيوروبوت في هذه الدراسة يستخدم الحركة القائمة على الزعانف، وتحديدا الحركة النبضية. أما السباحون النحاسيون، فيدفعون أنفسهم عن طريق رمي الذيل (الكابولي) ووجود جسم صلب (قاعدة ال…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم مت هولي من قبل برنامج الزملاء الدراسات العليا من مجلس ولاية لويزيانا من الحكام و C. دانيلسون بدعم من برنامج هوارد هيوز معهد الأساتذة الطبي. ويدعم هذه الدراسة من قبل جبهة الخلاص الوطني منحة رقم: 1530884. ويود المؤلفون أن أشكر دعم غرفة الأبحاث في مركز المجهرية المتقدمة والأجهزة (كامد).
Materials
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | 184 sil elast kit 0.5kg | Sylgard 184 |
| Nickel Powder | Sigma-Aldrich | 266981-100G | |
| Phenolic microballoons | US Composites | BJO-0930 | |
| Silicon wafers | 4 inch diameter | ||
| PWM101 light-duty spinner | Spin- coater | ||
| Positive photoresist (S1808) | Dow Corning | DEM-10018197 | |
| Hotplate | |||
| Vacuum chamber | |||
| M206 mechanical convection oven | Convection oven | ||
| Laser engraver | Universal Laser System | VLS2.30 | Utilizes a 10W, 10.6 µm wavelength, CO2 Laser |
| Universal Laser Systems Application | Universal Laser System | Application for running the VLS 2.30 | |
| Matlab | MathWorks | Numerical analysis program | |
| Scotch Tape | Scotch Brand | ||
| Solid-glass beads | Sigma-Aldrich | Z265926-1EA | Soda-lime glass, diameter 3 mm |
| Scale | Mettler Toledo | EL303 | |
| BD-20AC Laboratory Corona Treater | Electrotechnic Products | 12051A | Corona Discharger |
| Ultrasonic Bath 1.9L | Fisher Scientific | 15-337-402 | 40 kHz industrial transducer |
| Fibronectin from bovine plasma | Sigma-Aldrich | F1141 | |
| Dulbecco’s Phosphate Buffer (PBS) | Sigma-Aldrich | D1408-100ML | |
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) | Hyclone Laboratories | 16750-074 | With 4500 mg/L glucose, 4.0 mM L-glutamine, and 110 mg/L sodium pyruvate. |
| Fetalclone III serum | Hyclone Industries, GE | 16777-240 | Fetal bovine serum |
| Penicillin-G sodium salt | Sigma-Aldrich | P3032 |
References
- Williams, B., Anand, S., Rajagopalan, J., Saif, M. A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number. Nat commun. 5, (2014).
- Nawroth, J., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nat Biotechnol. 30 (8), 729-797 (2012).
- Huge Herr, ., D, A swimming Robot Actuated by Living Muscle Tissue. J Neuroeng. Rehabil. 1, (2004).
- Park, S., al, e. l. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
- Chan, V., Park, K., Colleens, M., Kong, H., Saif, T., Bashir, R. Development of miniaturized walking biological machines. Sci. Rep. 2, 857 (2012).
- Cvetkovic, C., et al. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle. PNAS. 111, 10125-10130 (2014).
- Xi, J., Scmidt, J., Montemagno, C. Self-assembled microdevices driven by muscle. Nat. Mater. 4, 180-184 (2005).
- Kim, J., et al. Establishment of a fabrication method for a long-term actuated hybrid cell robot. Lab Chip. 7, 1504-1508 (2007).
- Tanaka, Y., Sato, K., Shimizu, T., Yamato, M., Okano, T., Kitamori, T. A micro-spherical heart pump powered by cultured cardiomyocytes. Lab Chip. 7, 207-212 (2007).
- Park, J., et al. Micro pumping with cardiomyocyte-polymer hybrid. Lab Chip. 7, 1367-1370 (2007).
- Akiyama, Y. Atmospheric-operable bioactuator powered by insect muscle packaged with medium. Lab Chip. 13, 4870-4880 (2013).
- Kabumoto, K., Hoshino, T., Akiyama, Y., Morishima, K. Voluntary movement controlled by the surface EMG signal for tissue-engineered skeletal muscle on a gripping tool. Tissue Eng. Part A. 19, 1695-1703 (2013).
- Feinberg, A., Feigel, A., Shevkoplyas, S., Sheehy, S., Whitesides, G., Parker, K. Muscular thin films for building actuators and powering devices. Science. 317 (5843), 1366-1370 (2007).
- Vannozi, L., et al. Self-assembly of polydimethylsiloxane structures from 2D to 3D for bio-hybrid actuation. Bioinspiration Biomimetics. 10 (5), (2015).
- Holley, M. T., Nagarajan, N., Danielson, C., Zorlutuna, P., Park, K. Development and characterization of muscle-based actuators for self-stabilizing swimming biorobots. Lab Chip. 16, 3473-3484 (2016).
- Sfakiotakis, M., Lane, D., Davies, J. Review of fish swimming modes for aquatic locomotion. IEEE J. Oceanic Eng. 24, 237-252 (1999).
- McCain, M., Agarwal, A., Hesmith, H., Nesmith, A., Parker, K. Micromolded gelatin hydrogels for extended culture of engineered cardiac tissues. Biomaterials. 35 (21), 5462-5471 (2014).
