Azionatore a base cardiaca basata sul muscolo e bioroboto auto-stabilizzante - PARTE 1
Summary
In questo studio a due parti, è stato sviluppato un attuatore biologico usando cantilevers altamente flessibili di polidimetilsilossano (PDMS) e cellule muscolari viventi (cardiomiociti), e caratterizzato. L'attuatore biologico è stato incorporato con una base di materiali PDMS modificati per costruire un biorobot di nuoto auto-stabilizzante.
Abstract
Le macchine biologiche spesso definite come biorobotti sono dispositivi basati su cellule o tessuti viventi alimentati esclusivamente dall'attività contrattile dei componenti vivi. A causa dei loro vantaggi intrinseci, i biorobotti stanno acquisendo interesse come alternative a robot tradizionali completamente artificiali. Vari studi hanno messo a fuoco sull'utilizzo del potere degli attuatori biologici, ma solo recentemente gli studi hanno caratterizzato quantitativamente la performance dei biorobotti e hanno studiato la loro geometria per migliorare la funzionalità e l'efficienza. Qui dimostriamo lo sviluppo di un biorobot di nuoto auto-stabilizzante che può mantenere il suo passo, la profondità e il rotolo senza intervento esterno. La progettazione e la fabbricazione dello scaffold PDMS per l'attuatore biologico e il bioroboto seguito dalla funzionalizzazione con fibronectina sono descritti in questa prima parte. Nella seconda parte di questo articolo in due parti, abbiamo dettagliato l'incorporazione dei cardiomiociti e caratterizzano l'azione biologicaAtor e funzione biorobota. Entrambe incorporano una base e una coda (cantilever) che producono la propulsione fin-based. La coda è costruita con tecniche di litografia morbida utilizzando PDMS e incisione laser. Dopo aver incorporato la coda con la base del dispositivo, è funzionalizzato con una proteina adesiva cellulare e seminata confluentemente con cardiomiociti. La base dell'attuatore biologico è costituita da un blocco PDMS solido con un perno centrale di vetro (agisce come peso). La base del biorobot è costituita da due materiali PDMS compositi, Ni-PDMS e microballoon-PDMS (MB-PDMS). La polvere di nichel (in Ni-PDMS) permette il controllo magnetico del biorobot durante la semina e la stabilità durante la locomozione. Microballoons (in MB-PDMS) riduce la densità di MB-PDMS e consente al biorobot di galleggiare e nuotare costantemente. L'utilizzo di questi due materiali con diverse densità di massa ha consentito un controllo preciso sulla distribuzione del peso per garantire una forza di ripristino positiva a qualsiasi angolo del bioroboto. Questa tecnicaProduce un biorobot di nuoto auto-stabilizzante magneticamente controllato.
Introduction
Gli attuatori biologici ei biorobotti sono attivamente studiati per fornire un'alternativa alla robotica convenzionale per numerose applicazioni. Biorobotti che camminano 5 , 6 , 7 , 8 , nuotano 1 , 2 , 3 , 4 , pompa 9 , 10 , o presa 11 , 12 , 13 Sono già stati sviluppati. Allo stesso modo, le cellule muscolari possono essere incorporate in una struttura 3D PDMS laminata 14 . Spesso le basi del biorobot sono realizzate usando tecniche di litografia morbida con materiali quali idrogeli e PDMS (polidimetilsilossano). Queste sono scelte interessanti a causa della loro flessibilità, del biocompatibIlity e la rigidezza facilmente sintonizzabile. Le cellule muscolari vive sono di solito incorporate con questi materiali per fornire la generazione di forza attraverso la contrazione. Le cellule del muscolo cardiaco dei mammiferi (cardiomiociti) e le cellule muscolari scheletriche sono state usate principalmente per l'azionamento. Oltre a questi due, i tessuti muscolari degli insetti sono stati utilizzati per operare biorobotti a temperatura ambiente 3 . In questo studio a due parti, i cardiomiociti sono stati scelti a causa della loro contrazione spontanea 6 .
Gran parte delle precedenti ricerche sui biorobotti si è concentrata sullo sviluppo degli attuatori biologici, mentre l'ottimizzazione dell'architettura biorobot e lo sviluppo di funzionalità essenziali per i biorobot sono stati largamente trascurati. Recentemente alcune relazioni hanno dimostrato l'implementazione di diverse modalità di nuoto ispirate alle modalità di propulsione trovate in natura. Questi metodi incorporano film PDMS e cellule muscolari per imitare diversi metodi di propulsione naturale. Ad esempio, è stata riportata la propulsione basata sulla flagella 1 , la propulsione 2 meduse biomimetica, il raggio bio-ibrido 4 e i dispositivi 13 di nuoto PDMS sottile.
In questo documento, presentiamo il processo di fabbricazione di biorobotti di nuoto auto-stabilizzanti che possono mantenere la profondità di immersione così come il pitch and roll. Il biorobot ha una base solida o un corpo, che è azionato da un unico cantilever con cardiomiociti attaccati alla sua superficie. I cardiomiociti provocano l'inclinazione del cantilever in una direzione longitudinale quando si contraggono. Questa forma di nuoto è classificata come nuoto ostraciforme. La capacità di aggiungere funzionalità aggiuntive sulla base è un vantaggio unico del nuoto ostraciiforme. Ad esempio, la base può essere utilizzata per fornire una galleggiabilità eccessiva per portare ulteriori carichi o circuiti di controllo per la contrazione cardiomiocitaria.
StabilitàDel bioroboto è stato spesso trascurato negli studi precedenti di biorobotti. In questo studio abbiamo implementato l'auto-stabilizzazione progettando la base con diversi materiali PDMS compositi di diversa densità di massa. Il bioroboto presenta quindi resistenza a disturbi esterni e mantiene la sua profondità di immersione, pitch e roll, senza aiuto. Il primo strato è PDMS microballoon (MB-PDMS), vale a dire PDMS miscelato con microballoons, che abbassa la densità del biorobot, permettendo così di galleggiare nel mezzo. Il secondo strato è il PDMS cantilever, e il suo spessore è adattato in modo tale che la forza generata dai cardiomiociti può piegare drasticamente il cantilever da 45 ° a 90 °. Lo strato inferiore è nickel-PDMS (Ni-PDMS), vale a dire PDMS miscelato con la polvere di nichel. Questo livello esegue funzioni multiple. È magnetico e quindi permette al biorobot di essere ancorato in fondo al mezzo, durante la semina delle cellule, con un magnete. La miscela di nichel è di densità più elevata di MB-PDMS eMedio e assicurare una posizione verticale del biorobot durante il galleggiamento. Il peso di questo strato genera una coppia di ripristino sul biorobot in qualsiasi passo e rotolo. Inoltre, il rapporto volume tra il Ni-PDMS e il MB-PDMS mantiene la profondità di immersione. I protocolli presentati sarebbero estremamente utili ai ricercatori interessati a caratterizzare la forza battente delle cellule muscolari e dei tessuti, nonché a coloro che desiderano costruire i biorobotti per il nuoto.
La semina degli attuatori biologici funzionalizzati e dei dispositivi biorobotici, la caratterizzazione meccanica e biochimica delle cellule e l'analisi quantitativa della funzione del dispositivo sono descritti in dettaglio nella parte 2 di questo articolo in due parti e negli ultimi lavori 15 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Vari nuotatori acquatici trovano diversi meccanismi di locomozione 16 . Il meccanismo di locomozione del bioroboto in questo studio utilizza la locomozione a base di fin, in particolare la locomozione ostraciforme. I nuotatori ostraciformi si propagano spingendo una coda (cantilever) e avendo un corpo rigido (base stratificata) 16 . I pesci come i boxfish e le cowfish utilizzano questo tipo di locomozione. I nuotatori ostraciformi sono tipicamente lenti e hanno dimensioni …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT Holley è sostenuta dal programma dei laureati della Louisiana Board of Regents e C. Danielson è sostenuto dal programma Howard Hughes Medical Institute Professors. Questo studio è supportato da NSF Grant No: 1530884. Gli autori vorrebbero ringraziare il sostegno della sala pulizia presso il Centro per le Microstrutture e le Disposizioni Avanzate (CAMD).
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).
