Robô macio bioinspirado com microeletrodos incorporados
Summary
Um andaime bioinspirado é fabricado por uma técnica de fotolitografia macia usando hidrogéis mecanicamente robustos e eletricamente condutores. Os hidrogéis micropadronizados fornecem alinhamento direcional das células cardiomiócitos, resultando em uma direção personalizada de atuação. Microeletrodos flexíveis também são integrados ao andaime para trazer controle elétrico para um tecido cardíaco auto-atuante.
Abstract
Sistemas robóticos macios bioinspirados que imitam organismos vivos usando tecido muscular projetado e biomateriais estão revolucionando o paradigma atual da biorobótica, especialmente na pesquisa biomédica. Recriar dinâmica suação artificial semelhante à vida é crucial para um sistema robótico suave. No entanto, o controle preciso e a sintonia do comportamento de atuação ainda representam um dos principais desafios dos sistemas robóticos macios modernos. Este método descreve um procedimento de baixo custo, altamente escalável e fácil de usar para fabricar um robô macio eletricamente controlável com movimentos semelhantes à vida que é ativado e controlado pela contração de tecido muscular cardíaco em uma picada micropadronizada andaime de hidrogel como raios. O uso de métodos de fotolitografia macia torna possível integrar com sucesso vários componentes no sistema robótico macio, incluindo andaimes à base de hidrogel micropadronizados com nanotubos de carbono (CNTs) embutidos de gelatina (CNT-GelMA), diacrito de poli(etileno glicol) (PEGDA), microeletrodos flexíveis de ouro (Au) e tecido muscular cardíaco. Em particular, o alinhamento dos hidrogéis e o micropadrão são projetados para imitar a estrutura muscular e cartilagem do raio de picada. O hidrogel CNT-GelMA eletricamente condutor age como um andaime celular que melhora o comportamento de maturação e contração de cardiomiócitos, enquanto o hidrogel PEGDA mecanicamente robusto fornece suporte estrutural semelhante à cartilagem para todo o robô macio. Para superar a natureza dura e frágil dos microeletrodos à base de metal, projetamos um padrão serpentino que tem alta flexibilidade e pode evitar dificultar a dinâmica de espancamento dos cardiomiócitos. Os microeletrodos Au flexíveis incorporados fornecem estimulação elétrica em todo o robô macio, facilitando o controle do comportamento de contração do tecido cardíaco.
Introduction
Robôs macios modernos de última geração podem imitar as estruturas hierárquicas e a dinâmica muscular de muitos organismos vivos, como a água-viva1,2, raio de picada2,polvo3,bactérias4, eesperma5. Imitar a dinâmica e a arquitetura dos sistemas naturais oferece maiordesempenho em termos de eficiência energética e estrutural6. Isso está intrinsecamente relacionado à natureza macia do tecido natural (por exemplo, tecido de pele ou músculo com o módulo de um Jovem entre 104 -109 Pa) que permite graus mais elevados de liberdade e deformação superior e adaptabilidade quando comparado com atuadores projetados padrão (por exemplo, um módulo de Jovem geralmente entre 109-1012 Pa)6. Atuadores macios à base de músculos cardíacos, especialmente, mostram eficiência energética superior devido à sua auto-atuação, bem como seu potencial de autoreparo e regeneração quando comparados a um sistema robótico de base mecânica7. No entanto, a fabricação de robôs macios é desafiadora devido à necessidade de integrar diferentes componentes com diferentes propriedades físicas, biológicas e mecânicas em um único sistema. Por exemplo, sistemas sintéticos projetados precisam ser integrados com sistemas biológicos vivos, não apenas fornecendo-lhes suporte estrutural, mas também influenciando e modulando seu comportamento de atuação. Além disso, muitos métodos de microfabricação requerem processos e produtos químicos severos/citotóxicos que diminuem a viabilidade e a função de quaisquer componentes vivos. Portanto, novas abordagens são necessárias para melhorar a funcionalidade dos robôs macios e controlar e modular seu comportamento.
Para integrar com sucesso componentes vivos com boa viabilidade, um andaime à base de hidrogel é um excelente material para criar o corpo de um robô macio. As propriedades físicas e mecânicas de um hidrogel podem ser facilmente sintonizadas para criar microambientes para componentes vivos, como tecidos musculares8,9. Além disso, pode facilmente adotar várias técnicas de microfabricação, resultando na criação de estruturas hierárquicas com alta fidelidade1,2,10. Dispositivos eletrônicos flexíveis podem ser incorporados ao robô macio para controlar seu comportamento com estimulação elétrica. Por exemplo, técnicas optogenéticas para projetar células eletrogênicas (por exemplo, cardiomiócitos), que mostram uma ativação eletrofisiológica dependente da luz, têm sido usadas para desenvolver um raio de picada robótico macio baseado em polidimetilexino (PDMS) guiado pela luz que foi capaz de recriar o movimento undulatório do peixe in vitro2. Embora as técnicas optogenéticas tenham mostrado excelente controle, o trabalho apresentado utiliza estimulação elétrica, um método convencional e tradicional de simulação. Isso porque a estimulação elétrica através de microeletrodos flexíveis é fácil e simples em comparação com técnicas optogenéticas, que requerem extensos processos de desenvolvimento11. O uso de dispositivos eletrônicos flexíveis pode permitir estimulação a longo prazo e processos de fabricação padrão/simples, bem como biocompatibilidade tunable e propriedades físicas e mecânicas12,13.
Aqui, apresentamos um método inovador para fabricar um robô macio bioinspirado, acionado pela batida de tecido muscular cardíaco projetado e controlado por estimulação elétrica através de microeletrodos Au flexíveis incorporados. O robô macio foi projetado para imitar a estrutura muscular e cartilagem do raio de picada. O raio de picada é um organismo com uma estrutura e movimento relativamente fáceis de imitar em comparação com outras espécies de natação. Os músculos são recriados in vitro por sedar cardiomiócitos em um micropadrão de hidrogel eletricamente condutor. Como relatado anteriormente, incorporar nanopartículas eletricamente condutoras como a CNT no hidrogel GelMA não só melhora o acoplamento elétrico do tecido cardíaco, mas também induz uma excelente arquitetura e arranjo de tecido in vitro8,9. As articulações de cartilagem são então imitadas usando um padrão de hidrogel PEGDA mecanicamente robusto que age como o substrato mecanicamente robusto de todo o sistema. Microeletrodos Au flexíveis com padrão serpentino estão incorporados no padrão PEGDA para estimular local e eletricamente o tecido cardíaco.
Protocol
Representative Results
Discussion
Usando este método, conseguimos fabricar com sucesso um robô macio bioinspirado em peixes batoides com um tecido cardíaco auto-atuante integrado em um andaime estruturado multicamadas que é controlado por microeletrodos Au incorporados. Devido a duas camadas distintas de hidrogel micropadronizado feitas de hidrogéis PEGDA e CNT-GelMA, o andaime bioinspirado mostrou boa estabilidade mecânica e alinhamento e maturação celular ideal. A camada padrão PEGDA, que serve como uma articulação de cartilagem da arquitetu…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este artigo foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), pelo Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award e pelo AHA Innovative Project Award (19IPLOI3460079).
Materials
| 250 mL Beaker | PYREX | 1000-250CNEa | |
| 2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone | Sigma-Aldrich | 410896 | |
| 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate | Milipore | M6514 | |
| 37° Water bath | VWR | W6M | |
| 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Sigma-Aldrich | D9542 | |
| 50mL Conical Centrifuge Tubes | Falcon | 14-959-49A | |
| 70 µm Cell Strainer | Falcon | 352350 | |
| 80° incubator | VWR | 1370GM | |
| Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG (H+L) | Invitrogen | A11029 | |
| Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG (H+L) | Invitrogen | A11037 | |
| Alexa Fluor 488 Phalloidin | Invitrogen | A12379 | |
| Antibiotic/Antimycotic solution | ThermoFisher Scientific | 15240062 | |
| Anti-Connexin 43/GJAI antibody | Abcam | ab11370 | Rabbit polyclonal |
| Anti-Sarcomeric α-actinin | Abcam | ab9465 | Mouse monoclonal |
| Benchtop Freeze Dryers | Labconco | 77500-00 K | |
| Biosafety cabinet | Sterilgard | A/B3 | |
| Carbon rod electrodes | SGL Carbon Group | 6971105 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5804 | |
| CO2 incubator | Forma Scientific | 3110 | |
| Collagenase, Type II, Powder | Gibco | 17-101-015 | |
| Confocal Microscope | Zeiss | LSM 880 | |
| COOH Functionalized Carbon Nanotubes | NanoLab | PD30L5-20-COOH | |
| Dicing saw machine | Giorgio Technology | DAD-321 | |
| DMEM, High Glucose | Gibco | 11-965-118 | |
| DPBS without Calcium and Magnesium | Gibco | 14-190-144 | |
| E-beam evaporator | CHA | 57367 | |
| Fetal Bovine Serum | Gibco | 10-437-028 | |
| Gelatin | Sigma-Aldrich | G9391 | Type B, 300 bloom from porcine skin |
| Glass slide | VWR | 48382-180 | |
| HBSS without Calcium, Magnesium or Phenol Red | Gibco | 14-175-079 | |
| Inverted optical microscope | Olympus | CK40 | |
| Magnetic hotplate | Corning | PC-420 | |
| methacrylic anhydride | Sigma-Aldrich | 276695 | Contains 2,000ppm topanol A as inhibitor |
| Nunc EasYFlask 175cm2 | ThermoFisher Scientific | 159910 | |
| Olicscope | Siglent | SDS1052DL+ | |
| Paraformaldehyde Aqueous Solution -16% | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| PDMS SYLGARD 184 | Sigma-Aldrich | 761036 | |
| Photomask | Mini micro stencil inc | ||
| Platinum wire | Alfa Aesar | AA43014BU | |
| Polyethylene glycol dimethcrylate | Polysciences Inc. | 15178-100 | |
| Regenerated Cellulose Dialysis Tubing | Fisherbrand | 21-152-14 | |
| Silver Epoxy Adhesive | MG Chemicals | 8330S | |
| Stericup Quick Release-GP Sterile Vacuum Filtration System | Millipore | S2GPU02RE | |
| Ultra sonicator | Qsonica | Q500 | |
| UV Curing System | OmniCure | S2000 | |
| Vortex mixer | Scientific Industry | SI-0246A | |
| Waveform generator | Agilent | 33500B | |
| Wrap Aluminium foil | Reynolds | N/A |
Referenzen
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