Биовдохновленный мягкий робот с инкорпорированными микроэлектродами
Summary
Биовдохновленный эшафот изготовлен с помощью мягкой фотолитографии с использованием механически надежных и электрически проводящих гидрогелей. Гидрогели микрошаблона обеспечивают направленное выравнивание клеток кардиомиоцитов, что приводит к индивидуальному направлению привода. Гибкие микроэлектроды также интегрированы в эшафот, чтобы принести электрическую управляемость для самоактивации сердечной ткани.
Abstract
Биовдохновленные мягкие роботизированные системы, имитирующие живые организмы с помощью инженерных мышечной ткани и биоматериалов, революционизируют нынешнюю парадигму биороботов, особенно в биомедицинских исследованиях. Воссоздание искусственной динамики активации, подобной жизни, имеет решающее значение для мягкой роботизированной системы. Однако точный контроль и настройка поведения активации по-прежнему представляет собой одну из главных задач современных мягких роботизированных систем. Этот метод описывает недорогие, высокомасштабируемые и простые в использовании процедуры для изготовления электрически управляемого мягкого робота с жизнеобразными движениями, которые активируются и контролируются сокращением сердечной мышечной ткани на микрошаблонированном жале лучоподобный гидрогелев. Использование мягких методов фотолитографии позволяет успешно интегрировать несколько компонентов в мягкую роботизированную систему, в ключая микрошаблонизированные гидрогельные леса с углеродными нанотрубками (CNT) встроенными желатиновым метакрилоломом (CNT-GelMA), поли (этиленгликоль) диакрилат (PEGDA), гибкие золотые (Au) микроэлектроды и сердечная мышечная ткань. В частности, выравнивание гидрогелей и микрошаблон предназначены для имитации структуры мышц и хряща луча жала. Электрически проводящий гидрогель CNT-GelMA действует как клеточная эшафот, которая улучшает созревание и сжатие поведения кардиомиоцитов, в то время как механически надежный гидрогель PEGDA обеспечивает структурную хрящевую поддержку всего мягкого робота. Чтобы преодолеть жесткий и хрупкий характер микроэлектродов на основе металла, мы разработали серпантин шаблон, который имеет высокую гибкость и может избежать препятствуя избиение динамики кардиомиоцитов. Включенные гибкие микроэлектроды Au обеспечивают электрическую стимуляцию через мягкого робота, что облегчает управление поведением сокращения сердечной ткани.
Introduction
Современные современные мягкие роботы могут имитировать иерархические структуры и мышечную динамику многих живых организмов, таких как медузы1,2,жало луч2,осьминог3, бактерии4,и сперма5. Имитация динамики и архитектуры природных систем обеспечивает более высокие показатели как с точки зрения энергетической, так и структурной эффективности6. Это внутренне связано с мягкой природой натуральных тканей (например, кожи или мышечной ткани с модулем молодых между 104109 Па), который позволяет более высокие степени свободы и превосходной деформации и адаптации по сравнению со стандартными инженерии приводов (например, модуля молодых обычно между 1091012 Па)6. Сердечные мышцы на основе мягкой активации, особенно, показывают превосходную энергоэффективность из-за их самоактивации, а также их потенциал для авторемонта и регенерации по сравнению с механически на основе роботизированной системы7. Тем не менее, изготовление мягких роботов является сложной задачей из-за необходимости интеграции различных компонентов с различными физическими, биологическими и механическими свойствами в одну систему. Например, инженерные синтетические системы должны быть интегрированы с живыми биологическими системами, не только обеспечивая их структурной поддержкой, но и влияя на их поведение активации. Кроме того, многие методы микрофабрикации требуют суровых/цитотоксических процессов и химических веществ, которые снижают жизнеспособность и функции любых живых компонентов. Поэтому необходимы новые подходы для повышения функциональности мягких роботов, а также для контроля и модулировать их поведение.
Для успешной интеграции живых компонентов с хорошей жизнеспособностью, гидрогель на основе эшафот является отличным материалом для создания тела мягкого робота. Физические и механические свойства гидрогеля можно легко настроить для создания микросреды для живых компонентов, таких как мышечные ткани8,9. Кроме того, он может легко принять различные методы микрофабрикации, в результате чего создание иерархических структур с высокой точностью1,2,10. Гибкие электронные устройства могут быть включены в мягкого робота для управления его поведением с помощью электрической стимуляции. Например, оптогенетические методы для инженера электрогенных клеток (например, кардиомиоциты), которые показывают светозависимую электрофизиологическую активацию, были использованы для разработки полидиметилсилоксана (PDMS) на основе мягкого роботизированного жгучего луча, управляемого светом, который смог воссоздать неугодное движение рыбы in vitro2. Хотя оптогенетические методы показали отличную управляемость, представленная работа использует электрическую стимуляцию, обычный и традиционный метод моделирования. Это потому, что электрическая стимуляция с помощью гибких микроэлектродов легко и просто по сравнению с оптогенетических методов, которые требуют обширных процессов развития11. Использование гибких электронных устройств может обеспечить долгосрочную стимуляцию и стандартные/простые процессы изготовления, а также настраиваемую биосовместимость и физические и механические свойства12,13.
Здесь мы представляем инновационный метод для изготовления биовдохновленный мягкий робот, приведенный в действие избиение инженерии сердечной мышечной ткани и контролируется электрической стимуляции через встроенные гибкие микроэлектроды Au. Мягкий робот предназначен для имитации структуры мышц и хряща луча жала. Луч жала является организмом с относительно легко имитировать структуру и движение по сравнению с другими видами плавания. Мышцы воссозданы в пробирке путем посева кардиомиоцитов на электрически проводящем гидрогелевом микропатее. Как сообщалось ранее, включение электрически проводящих наночастиц, таких как CNT в гидрогель GelMA не только улучшает электрическое соединение сердечной ткани, но и вызывает отличную архитектуру ткани in vitro и расположение8,9. Затем суставы хряща передисмоно используют механически надежный узор гидрогеля PEGDA, который действует как механически надежный субстрат всей системы. Гибкие микроэлектроды Au с серпантином узором встроены в шаблон PEGDA, чтобы локально и электрически стимулировать сердечную ткань.
Protocol
Representative Results
Discussion
Используя этот метод, мы смогли успешно изготовить батоидный рыбоподобный биовдохновленный мягкий робот с интегрированной самоактивирующейся сердечной тканью на многослойной структурированной эшафоте, которая контролируется встроенными микроэлектродами Au. Благодаря двум различн?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта статья была профинансирована Национальными институтами здравоохранения (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), Бригамским научно-исследовательским институтом, премией инновационного новатора и премией 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 |
References
- Nawroth, J. C., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nature Biotechnology. 30 (8), 792-797 (2012).
- Park, S. J., et al. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
- Laschi, C., et al. Soft Robot Arm Inspired by the Octopus. Advanced Robotics. 26 (7), 709-727 (2012).
- Alapan, Y., et al. Soft erythocyte-based bacterial microswimmers for cargo delivery. Science Robotics. 3 (17), 4423 (2018).
- Magdanz, V., Sanchez, S., Schmidt, O. G. Development of a Sperm-Flagella Driven Micro-Bio-Robot. Advanced Materials. 25 (45), 6581-6588 (2013).
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (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 (18), 3473-3484 (2016).
- Shin, S. R., et al. Aligned Carbon Nanotube–Based Flexible Gel Substrates for Engineering Biohybrid Tissue Actuators. Advanced Functional Materials. 25 (28), 4486-4495 (2015).
- Shin, S. R., et al. Carbon-nanotube-embedded hydrogel sheets for engineering cardiac constructs and bioactuators. ACS Nano. 7 (3), 2369-2380 (2013).
- Shin, S. R., et al. Electrically Driven Microengineered Bioinspired Soft Robots. Advanced Materials. 30 (10), 1704189 (2018).
- Tye, K. M., Deisseroth, K. Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models. Nature Reviews Neuroscience. 13 (4), 251-266 (2012).
- Feinberg, A. W., et al. Muscular thin films for building actuators and powering devices. Science. 317 (5843), 1366-1370 (2007).
- Jia, Z., et al. Stimulating cardiac muscle by light: cardiac optogenetics by cell delivery. Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 4 (5), 753-760 (2011).
- Shin, S. R. Carbon Nanotube Reinforced Hybrid Microgels as Scaffold Materials for Cell Encapsulation. ACS Nano. , (2013).
