ביוהשראת רובוט רך עם מיקרואלקטרודות משולבות
Summary
הגרדום הביו-השראה מפוברק על ידי טכניקת פוטוליגרפיה רכה תוך שימוש בהידרוג’לים חזקים ומוליכי חשמל מכנית. ההידרוטים מיקרותבנית מספקים יישור תאים כווני באמצעות הקרדיוציט, והתוצאה היא כיוון הגשמה. מיקרואלקטרודות גמיש משולבים גם לתוך הפיגום כדי להביא ישור חשמליים לרקמת לב מתוך הגשמה עצמית.
Abstract
ביוהשראת מערכות רובוטיות רכות המחחקות אורגניזמים חיים באמצעות רקמת שרירים מהונדסים ו-bioaterials הם מהפכה את הפרדיגמה ביורירובוטיקה הנוכחית, במיוחד במחקר ביו-רפואי. משחזר דינמיקה מלאכותית של חיים כמו המציאות היא חיונית למערכת רובוטית. עם זאת, השליטה המדויקת והכיוונון של התנהגות האקטואציה עדיין מייצגת את אחד האתגרים העיקריים של מערכות רובוטיות רכות מודרניות. שיטה זו מתארת בעלות נמוכה, מדרגי מאוד, קל לשימוש הליך להמציא רובוט רך בשליטה חשמלית עם תנועות כמו חיים מופעל ונשלט על ידי התכווצות של רקמת שריר הלב על עוקץ מיקרותבנית . בדומה לפיגום הידרוג’ל השימוש בשיטות פוטוליגרפיה רכות מאפשר לשלב בהצלחה מספר רב של רכיבים במערכת הרובוטית הרכה, כולל הידרו-בדוגמת הידרוג’ל המבוסס על פיגומים עם צינוריות פחמן (CNTs) (CNT-GelMA), פולי (אתילן גליקול) דיאקרילי (PEGDA), מיקרואלקטרודות (Au) גמישות, ורקמת שריר הלב. בפרט, יישור הידרוג’ל ומיקרותבניות נועדו לחקות את מבנה השריר והסחוס של קרן העוקץ. מוליך חשמלית CNT-GelMA הידרוג’ל משמש כפיגום תא המשפר את ההבשלה והתכווצות התנהגות של קרדיומיקוציטים, בעוד ההידרוג’ל חזק מכנית מספק תמיכה כמו סחוס מבניים של הרובוט הרך כולו. כדי להתגבר על האופי הקשה והפריך של המיקרואלקטרודות המבוססות על מתכת, עיצבנו דפוס סרפנטיין בעל גמישות גבוהה והוא יכול להימנע מלעקוף את הדינמיקה המנצחת של הקרדיוציטים. המיקרואלקטרודות הגמישות המשולבת של Au מספקות גירוי חשמלי באמצעות הרובוט הרך, ובכך קל יותר לשלוט בהתנהגות הכיווץ של רקמת הלב.
Introduction
המדינה המודרנית של רובוטים רכים יכולים לחקות את המבנים ההירארכיים והדינמיקה של שרירים של אורגניזמים חיים רבים, כגון מדוזה1,2, עוקץ ריי2, תמנון3, חיידקים4, זרע5. חיקוי הדינמיקה והארכיטקטורה של מערכות טבעיות מציעה הופעות גבוהות יותר במונחים של יעילות אנרגטית ומבנית6. זה קשור ביסודה לטבע הרך של רקמת הטבע (למשל, רקמת העור או השריר עם מודולוס של צעירים בין 104על 10הרשות) אשר מאפשר דרגות גבוהות יותר של החופש דפורמציה מעולה והסתגלות כאשר לעומת התקני הנדסה סטנדרטית (למשל, מודולוס של צעירים בדרך כלל בין 109-עד10הרשות שריר הלב מבוסס מפעילים רכים, במיוחד, להראות יעילות אנרגיה מעולה בשל הגשמה עצמית שלהם, כמו גם הפוטנציאל שלהם עבור שינוי אוטומטי והתחדשות כאשר לעומת מערכת רובוטית מבוססת מכנית7. עם זאת, הייצור של רובוטים רכים הוא מאתגר בשל הצורך לשלב רכיבים שונים עם תכונות פיזיות, ביולוגיות ומכניות שונות לתוך מערכת אחת. לדוגמה, מערכות סינטתיים מהונדסים צריך להיות משולבים עם מערכות ביולוגיות חיים, לא רק לספק להם תמיכה מבנית אלא גם השפעה ומודולציה התנהגות הגשמה שלהם. בנוסף, שיטות מיקרו בייצור רבות דורשות תהליכים קשים/ציטוטוקסיים וכימיקלים המפחיתים את הכדאיות והתפקוד של כל מרכיב חי. לכן, גישות חדשות נחוצות כדי לשפר את הפונקציונליות של הרובוטים הרכים ולשלוט ולווסת את התנהגותם.
כדי לשלב בהצלחה את המרכיבים החיים עם הכדאיות הטובה, הגרדום המבוסס על הידרוג’ל הוא חומר מצוין ליצירת גוף של רובוט רך. מאפיינים פיזיים ומכניים של הידרוג’ל ניתן בקלות לכוונן כדי ליצור מיקרו סביבות עבור מרכיבים חיים כגון רקמות שריר8,9. כמו כן, היא יכולה לאמץ בקלות טכניקות מיקרו-בייצור שונות, והתוצאה היא יצירת מבנים הירארכיים עם אמינות גבוהה1,2,10. מכשירים אלקטרוניים גמישים ניתן לשלב לתוך הרובוט הרך כדי לשלוט על התנהגותו עם גירוי חשמלי. לדוגמה, שיטות אלקטרואופטיקה כדי להנדס תאים אלקטרוגניים (למשל, קרדיוציטים), אשר מראים הפעלה אלקטרולוגית התלויה באור, נעשה שימוש לפיתוח polydiמתיל siloxane (PDMS) מבוסס רנטגן רובוטית רך מונחה על ידי אור כי היה מסוגל לשחזר את התנועה undulatory של הדג מבחנה2. למרות טכניקות אלקטרואופטיקה הראו ישור מעולה, העבודה המוצגת משתמשת גירוי חשמלי, שיטת סימולציה קונבנציונאלי ומסורתי. הסיבה לכך היא גירוי חשמלי באמצעות מיקרואלקטרודות גמיש הוא קל ופשוט לעומת טכניקות אלקטרואופטיקה, אשר דורשים תהליכי פיתוח נרחבים11. השימוש במכשירים אלקטרוניים גמישים יכול לאפשר גירוי לטווח ארוך ותהליכי ייצור סטנדרטיים/פשוטים וכן תאימות ביולוגית ותכונות פיזיות ומכניות12,13.
כאן, אנו מציגים שיטה חדשנית כדי להמציא רובוט רך בהשראת השראה, מואבקים על ידי הכאתו של רקמת שריר הלב הנדסה ונשלט על ידי גירוי חשמלי באמצעות מיקרואלקטרודות גמיש מוטבע או. הרובוט הרך נועד לחקות את מבנה השריר ואת הסחוס של קרן העוקץ. קרן העוקץ היא אורגניזם עם קל יחסית לחקות מבנה ותנועה בהשוואה למינים אחרים בשחייה. השרירים מחדש בתוך מבחנה על ידי זריעת הקרדיוציטים על גבי מיקרופי הידרוג’ל מוליך חשמלית. כפי שדווח בעבר, שילוב חלקיקי חלקיקים מוליכי חשמל כגון cnt ב-gelma הידרוג’ל לא רק משפר את הצימוד החשמלי של רקמת הלב, אלא גם משרה מעולה באדריכלות רקמות מבחנה וסידור8,9. מפרקי הסחוס הם לאחר מכן מחקה באמצעות דפוס חזק מכני PEGDA הידרוג’ל שפועל כמו מצע חזק מכנית של המערכת כולה. מיקרואלקטרודות גמישות של Au עם דפוס הסרפנטיין מוטבעות בתבנית PEGDA כדי לגרות את רקמת הלב באופן מקומי וחשמלית.
Protocol
Representative Results
Discussion
באמצעות שיטה זו, הצלחנו להמציא בהצלחה באמצעות הרובוט הביואיד דמוי הדג בהשראת רקמת לב משולבת הגשמה עצמית על פיגומים מובנים רובת שכבות הנשלט על ידי Au מיקרואלקטרודות מוטבע. בשל שני שכבות שונות של הידרוג’ל מיקרותבנית מתוצרת PEGDA ו-CNT-GelMA, הגרדום הביוהשראה הראה יציבות מכנית טובה ויישור תאים אידי?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
הנייר הזה מומן על ידי המוסדות הלאומיים לבריאות (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), מכון המחקר בריגהם בדרך פרס ממציא חזק, ואת הפרס החדשני של פרויקט (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).
