Прибор на основе карциномы на мышечной клетке и самостабилизационный биоробот - ЧАСТЬ 1
Summary
В этом двухчастном исследовании биологический исполнительный механизм был разработан с использованием гибких полидиметилсилоксановых (PDMS) кантилеверов и живых мышечных клеток (кардиомиоцитов) и охарактеризован. Биологический привод был включен с основанием из модифицированных материалов PDMS для создания самостабилизирующегося, плавающего биоробота.
Abstract
Биологические машины, часто называемые биороботами, представляют собой живые устройства на основе клеток или тканей, которые питаются исключительно сократительной активностью живых компонентов. Из-за присущих им преимуществ биороботы приобретают интерес как альтернативы традиционным искусственным роботам. В различных исследованиях основное внимание уделялось использованию энергии биологических приводов, но только недавно исследования количественно характеризовали характеристики биороботов и изучали их геометрию для повышения функциональности и эффективности. Здесь мы демонстрируем развитие самостабилизирующегося плавательного биоробота, который может поддерживать свой шаг, глубину и рулон без внешнего вмешательства. В этой первой части описана конструкция и изготовление каркасов PDMS для биологического привода и биоробота с последующей функционализацией с фибронектином. Во второй части этой статьи из двух частей мы подробно описываем включение кардиомиоцитов и характеризуем биологический активАтор и биоробот. Оба включают основание и хвост (кантилевер), которые производят плавучее движение. Хвост построен с использованием методов мягкой литографии с использованием PDMS и лазерной гравировки. После включения хвоста с основанием устройства он функционализован клеточным клеящим белком и засевается слиянием с кардиомиоцитами. Основание биологического привода состоит из твердого блока PDMS с центральным стеклянным шариком (действует как вес). Основание биоробота состоит из двух составных материалов PDMS, Ni-PDMS и microballoon-PDMS (MB-PDMS). Порошок никеля (в Ni-PDMS) позволяет осуществлять магнитный контроль биоробота при посеве клеток и стабильности во время локомоции. Микрошарики (в MB-PDMS) уменьшают плотность MB-PDMS и позволяют биороботу плавать и плавать постоянно. Использование этих двух материалов с разной плотностью массы позволило точно контролировать распределение веса, чтобы обеспечить положительную реставрационную силу под любым углом биоробота. Этот методПроизводит магниторегулируемый самостабилизационный плавающий биоробот.
Introduction
Биологические приводы и биороботы активно изучаются, чтобы обеспечить альтернативу обычной робототехнике для многочисленных применений. Биороботы, которые ходят 5 , 6 , 7 , 8 , плавают 1 , 2 , 3 , 4 , насос 9 , 10 или захват 11 , 12 , 13 Уже разработаны. Аналогично, мышечные клетки могут быть включены в трехслойную структуру 14 PDMS. Часто биооблоточные основы изготавливаются с использованием методов мягкой литографии с такими материалами, как гидрогели и PDMS (полидиметилсилоксаны). Это привлекательный выбор из-за их гибкости, биосовместимостиГибкость и легко настраиваемая жесткость. Живые мышечные клетки обычно включаются в эти материалы, чтобы обеспечить генерацию силы посредством сжатия. Клетки сердечной мышцы млекопитающих (кардиомиоциты) и клетки скелетных мышц преимущественно используются для приведения в действие. Помимо этих двух мышечных тканей насекомых использовались для работы биороботов при комнатной температуре 3 . В этом двухчастном исследовании кардиомиоциты были выбраны из-за их спонтанного сжатия 6 .
Большая часть ранних исследований биороботов была сфокусирована на разработке биологических приводов, в то время как оптимизация архитектуры биоробота и развитие важных функций для биороботов в основном игнорировались. Недавно в нескольких докладах было продемонстрировано внедрение различных режимов плавания, которые были вдохновлены режимами движения, найденными в природе. Эти методы включают ПДМС-пленки и мышечные клетки, имитирующие различные природные двигательные методы, Например, сообщалось о двигателе 1 на основе жгутов, биомаксимальном двигателе-медузе 2 , биогибридном луче 4 и устройствах 13 плавления с тонкой пленкой PDMS.
В этой статье мы представляем процесс изготовления самостабилизирующихся плавающих биороботов, которые могут поддерживать глубину погружения, а также шаг и рулон. Биоробот имеет твердую основу или тело, которое движется одним кантилевером с прикрепленными к его поверхности кардиомиоцитами. Кардиомиоциты заставляют кантилевер изгибаться в продольном направлении, когда они сжимаются. Эта форма плавания классифицируется как ostraciiform плавание. Возможность добавления дополнительных функциональных возможностей на базу является уникальным преимуществом острацифического плавания. Например, основание может быть использовано для обеспечения избыточной плавучести для переноса дополнительных грузов или схем управления для сокращения кардиомиоцитов.
стабильностьБиоробота часто упускали из виду в предыдущих исследованиях биороботов. В этом исследовании мы внедрили самостабилизацию путем проектирования основы с различными композитными материалами PDMS с различной плотностью масс. Таким образом, биоробот демонстрирует устойчивость к внешним возмущениям и поддерживает глубину погружения, шаг и рулон, без посторонней помощи. Первым слоем является PDMS микрошара (MB-PDMS), то есть PDMS, смешанный с микрошариками, что снижает плотность биоробота, позволяя ему плавать в средах. Второй слой представляет собой кантилевер PDMS, и его толщина адаптирована таким образом, что сила, создаваемая кардиомиоцитами, может резко согнуть кантилевер с 45 ° до 90 °. Нижний слой представляет собой никель-PDMS (Ni-PDMS), то есть PDMS, смешанный с порошком никеля. Этот слой выполняет несколько функций. Он магнитный и, следовательно, позволяет закрепить биоробот на дне среды во время клеточного посева магнитом. Смесь никеля имеет более высокую плотность, чем MB-PDMS, иСредний и обеспечить вертикальное положение биоробота во время плавания. Вес этого слоя создает восстанавливающий крутящий момент на биороботе при любом шаге и рулоне. Кроме того, объемное соотношение между Ni-PDMS и MB-PDMS поддерживает глубину погружения. Представленные протоколы были бы очень полезны для исследователей, заинтересованных в характеристике силы биения мышечных клеток и тканей, а также тех, кто хочет строить плавающие биороботы.
Посев функционализированного биологического привода и устройств биоробота, механическая и биохимическая характеристика клеток и количественный анализ функции устройства подробно описаны в части 2 этой статьи из двух частей, а также в недавней работе 15 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Среди водных пловцов можно найти различные механизмы передвижения. Механизм локомоции биоробота в этом исследовании использует локомоцию на основе ребер, в частности остраковидную локомоцию. Остракообразные пловцы продвигаются по вилянию хвоста (кантилевера) и имеют жесткое тело (с?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT Holley поддерживается Программой выпускников стипендий Совета регентов штата Луизиана, а С. Даниэльсон поддерживается Программой профессоров Медицинского института Говарда Хьюза. Это исследование поддерживается NSF Grant No: 1530884. Авторы хотели бы поблагодарить поддержку чистой комнаты в Центре усовершенствованных микроструктур и устройств (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).
