Robot morbido bioispirato con microelettrodi incorporati
Summary
Uno scaffold bioinspired è fabbricato con una tecnica di fotolitografia morbida utilizzando idrogel sagomati dal punto di guida ed elettricamente conduttivi. Gli idrogel micromodellati forniscono l’allineamento delle cellule cardiomiociti cardiomiociti direzionali, con conseguente direzione di azionamento su misura. I microelettrodi flessibili sono integrati anche nello scaffold per portare la controllabilità elettrica per un tessuto cardiaco auto-octuante.
Abstract
I sistemi robotici morbidi bioispirati che imitano organismi viventi utilizzando tessuti muscolari ingegnerizzati e biomateriali stanno rivoluzionando l’attuale paradigma biorobotica, specialmente nella ricerca biomedica. La ricreazione di dinamiche artificiali di attivimento realistiche è fondamentale per un sistema soft-robotico. Tuttavia, il controllo preciso e la messa a punto del comportamento di alleuazione rappresentano ancora una delle principali sfide dei moderni sistemi robotici morbidi. Questo metodo descrive una procedura a basso costo, altamente scalabile e facile da usare per fabbricare un robot morbido controllabile elettricamente con movimenti realistici che viene attivato e controllato dalla contrazione del tessuto muscolare cardiaco su una puntura micromodellata a raggi-come scaffold idrogel. L’uso di metodi di fotolitografia morbida consente di integrare con successo più componenti nel sistema robotico morbido, tra cui scaffold a base di idrogel micromodellati con nanotubi di carbonio (CNT) di gelatina emifaccoliloyl (CNT-GelMA), diacrilato poli(etilene glicole), microelettrodi in oro flessibile (Au) e tessuto muscolare cardiaco. In particolare, l’allineamento degli idrogel e il micropattern sono progettati per imitare la struttura muscolare e cartilaginea del raggio di puntura. L’idrogel CNT-GelMA conduttivo elettricamente funge da impalcatura cellulare che migliora il comportamento di maturazione e contrazione dei cardiomiociti, mentre l’idrogel PEGDA robusto meccanicamente fornisce un supporto strutturale simile alla cartilagine a tutto il robot morbido. Per superare la natura dura e fragile dei microelettrodi a base metallica, abbiamo progettato un modello serpentino che ha un’elevata flessibilità e può evitare di ostacolare la dinamica di battitura dei cardiomiociti. I microelettrodi Au flessibili incorporati forniscono stimolazione elettrica attraverso il robot morbido, rendendo più facile controllare il comportamento di contrazione del tessuto cardiaco.
Introduction
I moderni robot morbidi all’avanguardia possono imitare le strutture gerarchiche e le dinamiche muscolari di molti organismi viventi, come la medusa1,2, il raggio di pungiglione2, il polpo3,i batteri4e lo sperma5. Imitando le dinamiche e l’architettura dei sistemi naturali offre prestazioni più elevate in termini di efficienza energetica e strutturale6. Questo è intrinsecamente correlato alla natura morbida del tessuto naturale (ad esempio, la pelle o il tessuto muscolare con un modulo di un giovane tra 104x 109 Pa) che consente livelli più elevati di libertà e deformazione e adattabilità superiori rispetto agli attuatori standard ingegnerizzati (ad esempio, un modulo di Young di solito tra 109x 1010 Pa) 6. Gli attuatori morbidi a base muscolare cardiaca, in particolare, mostrano una migliore efficienza energetica grazie alla loro auto-attivazione e al loro potenziale di autoriparazione e rigenerazione rispetto a un sistema robotico basato su meccanica7. Tuttavia, la fabbricazione di robot morbidi è difficile a causa della necessità di integrare diversi componenti con diverse proprietà fisiche, biologiche e meccaniche in un unico sistema. Ad esempio, i sistemi sintetici ingegnerizzati devono essere integrati con sistemi biologici viventi, non solo fornendo loro supporto strutturale, ma anche influenzando e modulando il loro comportamento di attuazione. Inoltre, molti metodi di microfabbricazione richiedono processi duri / citotossici e sostanze chimiche che riducono la vitalità e la funzione di qualsiasi componente vivente. Pertanto, sono necessari nuovi approcci per migliorare la funzionalità dei robot morbidi e per controllare e modulare il loro comportamento.
Per integrare con successo i componenti viventi con una buona vitalità, uno scaffold a base di idrogel è un materiale eccellente per creare il corpo di un robot morbido. Le proprietà fisiche e meccaniche di un idrogel possono essere facilmente regolate per creare microambienti per componenti viventi come i tessuti muscolari8,9. Inoltre, può facilmente adottare varie tecniche di microfabbricazione, con conseguente creazione di strutture gerarchiche ad alta fedeltà1,2,10. I dispositivi elettronici flessibili possono essere incorporati nel robot morbido per controllarne il comportamento con la stimolazione elettrica. Ad esempio, le tecniche optogenetiche per l’ingegneria delle cellule elettrogeniche (ad esempio, i cardiomiociti), che mostrano un’attivazione elettrofisiologica dipendente dalla luce, sono state utilizzate per sviluppare un raggio di puntura robotica morbida basato su polidimetilsiloxane (PDMS) guidato dalla luce che è stato in grado di ricreare il movimento ondulatorio della vitro del pesce in vitro2 . Anche se le tecniche optogenetiche hanno dimostrato un’eccellente controllabilità, il lavoro presentato utilizza la stimolazione elettrica, un metodo di simulazione convenzionale e tradizionale. Questo perché la stimolazione elettrica tramite microelettrodi flessibili è facile e semplice rispetto alle tecniche optogenetiche, che richiedono ampi processi di sviluppo11. L’uso di dispositivi elettronici flessibili può consentire la stimolazione a lungo termine e processi di fabbricazione standard/semplici, nonché la biocompatibilità regolabile e le proprietà fisiche e meccaniche12,13.
Qui, presentiamo un metodo innovativo per fabbricare un robot morbido bioispirato, azionato dal battito del tessuto muscolare cardiaco ingegnerizzato e controllato dalla stimolazione elettrica attraverso microelettrodi Au flessibili incorporati. Il robot morbido è progettato per imitare la struttura muscolare e cartilaginea del raggio di pungiglione. Il raggio di pungiglione è un organismo con una struttura e un movimento relativamente facili da imitare rispetto ad altre specie che nuotano. I muscoli vengono ricreati in vitro seeding cardiomiociti su un micromodello di idrogel elettricamente conduttivo. Come riportato in precedenza, l’incorporazione di nanoparticelle elettricamente conduttive come il CNT nell’idrogel GelMA non solo migliora l’accoppiamento elettrico del tessuto cardiaco, ma induce anche un’eccellente architettura in vitro e disposizione8,9. Le articolazioni della cartilagine vengono poi imitate utilizzando un modello idrogel PEGDA meccanicamente robusto che agisce come il substrato meccanicamente robusto dell’intero sistema. I microelettrodi Flessibili Au con un modello serpentino sono incorporati nel modello PEGDA per stimolare localmente e stimolare elettricamente il tessuto cardiaco.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utilizzando questo metodo, siamo stati in grado di fabbricare con successo un robot morbido bioispirato simile al pesce batoid e con un tessuto cardiaco auto-azionante integrato su uno scaffold strutturato multistrato che è controllato da microelettrodi Au incorporati. A causa di due distinti strati di idrogel micromodellati fatti di idrogel PEGDA e CNT-GelMA, lo scaffold bioinspire d’ispirazione ha mostrato una buona stabilità meccanica e l’allineamento e la maturazione delle cellule ideali. Lo strato di pattern PEGDA…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo documento è stato finanziato dal National Institutes of Health (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), dal Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award e dal 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).
