Robot suave bioinspirado con microelectrodos incorporados
Summary
Un andamio bioinspirado se fabrica mediante una técnica de fotolitografía suave utilizando hidrogeles mecánicamente robustos y conductores eléctricos. Los hidrogeles micropatrónizados proporcionan alineación direccional de células de cardiomiocitos, lo que resulta en una dirección personalizada de accionamiento. Los microelectrodos flexibles también se integran en el andamio para lograr control eléctrico para un tejido cardíaco autoaccionado.
Abstract
Los sistemas robóticos blandos bioinspirados que imitan a los organismos vivos utilizando tejido muscular y biomateriales de ingeniería están revolucionando el paradigma actual de la biorobótica, especialmente en la investigación biomédica. La recreación de dinámicas de accionamiento artificiales realistas es crucial para un sistema soft-robótico. Sin embargo, el control preciso y la afinación del comportamiento de accionamiento todavía representa uno de los principales desafíos de los sistemas robóticos blandos modernos. Este método describe un procedimiento de bajo costo, altamente escalable y fácil de usar para fabricar un robot blando eléctricamente controlable con movimientos realistas que es activado y controlado por la contracción del tejido muscular cardíaco en una picadura micropatrón andamio hidrogel similar a un rayo. El uso de métodos de fotolitografía suave permite integrar con éxito múltiples componentes en el sistema robótico blando, incluidos los andamios micropatrónizados a base de hidrogel con nanotubos de carbono (CNT) de gelatina integrada de metacriloyl (CNT-GelMA), diacrilato de poli(etilenglicol) (PEGDA), microelectrodos de oro flexible (Au) y tejido muscular cardíaco. En particular, la alineación de los hidrogeles y el micropatrón están diseñados para imitar la estructura muscular y del cartílago del rayo de picadura. El hidrogel CNT-GelMA conductor eléctrico actúa como un andamio celular que mejora el comportamiento de maduración y contracción de los cardiomiocitos, mientras que el hidrogel PEGDA mecánicamente robusto proporciona un soporte estructural similar al cartílago a todo el robot blando. Para superar la naturaleza dura y frágil de los microelectrodos a base de metal, diseñamos un patrón de serpentina que tiene una alta flexibilidad y puede evitar obstaculizar la dinámica de paliza de los cardiomiocitos. Los microelectrodos Au flexibles incorporados proporcionan estimulación eléctrica a través del robot blando, lo que facilita el control del comportamiento de contracción del tejido cardíaco.
Introduction
Los robots blandos modernos de última generación pueden imitar las estructuras jerárquicas y la dinámica muscular de muchos organismos vivos, como las medusas1,2, rayo de picadura2, pulpo3, bacteria4y espermatozoides5. Imitar la dinámica y arquitectura de los sistemas naturales ofrece un mayor rendimiento en términos de eficiencia energética y estructural6. Esto está intrínsecamente relacionado con la naturaleza blanda del tejido natural (por ejemplo, piel o tejido muscular con un módulo de Young entre 104x 109 Pa) que permite mayores grados de libertad y deformación superior y adaptabilidad en comparación con los actuadores de ingeniería estándar (por ejemplo, un módulo de Young generalmente entre 109x 1012 Pa)6. Los actuadores blandos a base de músculo cardíaco, especialmente, muestran una eficiencia energética superior debido a su auto-accionamiento, así como a su potencial de autoreparación y regeneración en comparación con un sistema robótico basado mecánicamente7. Sin embargo, la fabricación de robots blandos es un reto debido a la necesidad de integrar diferentes componentes con diferentes propiedades físicas, biológicas y mecánicas en un solo sistema. Por ejemplo, los sistemas sintéticos de ingeniería deben integrarse con los sistemas biológicos vivos, no sólo proporcionándoles apoyo estructural, sino también influyendo y modulando su comportamiento de actuación. Además, muchos métodos de microfabricación requieren procesos agresivos/citotóxicos y productos químicos que disminuyen la viabilidad y la función de cualquier componente vivo. Por lo tanto, son necesarios nuevos enfoques para mejorar la funcionalidad de los robots blandos y para controlar y modular su comportamiento.
Para integrar con éxito los componentes vivos con una buena viabilidad, un andamio a base de hidrogel es un excelente material para crear el cuerpo de un robot blando. Las propiedades físicas y mecánicas de un hidrogel se pueden ajustar fácilmente para crear microambientes para componentes vivos como los tejidos musculares8,9. Además, puede adoptar fácilmente diversas técnicas de microfabricación, dando como resultado la creación de estructuras jerárquicas con alta fidelidad1,2,10. Los dispositivos electrónicos flexibles se pueden incorporar al robot blando para controlar su comportamiento con estimulación eléctrica. Por ejemplo, las técnicas optogenéticas para diseñar células electrogénicas (por ejemplo, cardiomiocitos), que muestran una activación electrofisiológica dependiente de la luz, se han utilizado para desarrollar un rayo de picadura robótica suave basado en polidimetilsiloxano (PDMS) guiado por la luz que fue capaz de recrear el movimiento ondulatorio del pez in vitro2. Aunque las técnicas optogenéticas han demostrado una excelente capacidad de control, el trabajo presentado utiliza la estimulación eléctrica, un método de simulación convencional y tradicional. Esto se debe a que la estimulación eléctrica a través de microelectrodos flexibles es fácil y simple en comparación con las técnicas optogenéticas, que requieren procesos de desarrollo extensivos11. El uso de dispositivos electrónicos flexibles puede permitir la estimulación a largo plazo y procesos de fabricación estándar / simples, así como la biocompatibilidad ajustable y las propiedades físicas y mecánicas12,13.
Aquí, presentamos un método innovador para fabricar un robot blando bioinspirado, accionado por la paliza de tejido muscular cardíaco de ingeniería y controlado por la estimulación eléctrica a través de microelectrodos Au flexibles integrados. El robot blando está diseñado para imitar la estructura muscular y del cartílago del rayo de picadura. El rayo de picadura es un organismo con una estructura y movimiento relativamente fácil es fácil de imitar en comparación con otras especies de natación. Los músculos se recrean in vitro mediante la sembración de cardiomiocitos en un micropatrón de hidrogel conductor eléctrico. Como se informó anteriormente, la incorporación de nanopartículas conductoras eléctricas como LA CNT en el hidrogel GelMA no sólo mejora el acoplamiento eléctrico del tejido cardíaco, sino que también induce una excelente arquitectura de tejido in vitro y disposición8,9. Las articulaciones del cartílago se imitan utilizando un patrón de hidrogel PEGDA mecánicamente robusto que actúa como el sustrato mecánicamente robusto de todo el sistema. Los microelectrodos Au flexibles con un patrón de serpentina están incrustados en el patrón PEGDA para estimular localmente y eléctricamente el tejido cardíaco.
Protocol
Representative Results
Discussion
Usando este método, pudimos fabricar con éxito un robot blando bioinspirado en forma de pez batoide con un tejido cardíaco auto-accionador integrado en un andamio estructurado multicapa que es controlado por microelectrodos Au incrustados. Debido a dos capas de hidrogel micropatrón distintas hechas de hidrogeles PEGDA y CNT-GelMA, el andamio bioinspirado mostró buena estabilidad mecánica y alineación y maduración celular ideal. La capa de patrón PEGDA, que sirve como una articulación de cartílago de la arquite…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este documento fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), el Premio Innovador Stepping Strong del Instituto de Investigación Brigham y el Premio AHA Innovative Project Award (19IPLOI34660079).
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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