Bioinspirerad mjuk robot med inbyggda mikroelektroder
Summary
En bioinspirerad byggnadsställning tillverkas av en mjuk fotolitografiteknik med mekaniskt robusta och elektriskt ledande hydrogeler. De mikromönstrade hydrogelerna ger riktningskardiomyocytcelljustering, vilket resulterar i en skräddarsydd riktning för aktivering. Flexibla mikroelektroder är också integrerade i byggnadsställningen för att få elektrisk styrbarhet för en självaktivering av hjärtvävnad.
Abstract
Bioinspirerade mjuka robotsystem som efterliknar levande organismer med hjälp av konstruerad muskelvävnad och biomaterial revolutionerar det nuvarande biorobotparadigmet, särskilt inom biomedicinsk forskning. Återskapa artificiell verklighetsliknande aktiveringsdynamik är avgörande för ett mjukt robotsystem. Men den exakta kontrollen och justeringen av aktiveringsbeteende representerar fortfarande en av de största utmaningarna i moderna mjuka robotsystem. Denna metod beskriver en billig, mycket skalbar och lättanvänd förfarande för att tillverka en elektriskt kontrollerbar mjuk robot med verklighetstrogna rörelser som aktiveras och styrs av sammandragning av hjärtmuskelvävnad på ett mikromönstrad sting ray-liknande hydrogel byggnadsställning. Användningen av mjuka fotolitografimetoder gör det möjligt att framgångsrikt integrera flera komponenter i det mjuka robotsystemet, inklusive mikromönstrade hydrogelbaserade byggnadsställningar med kolnanorör (CNTs) inbäddade gelatinmecryloyl (CNT-GelMA), poly(etylenglykol) diakrylaterat (PEGDA), flexibla guld (Au) mikroelektroder och hjärtmuskelvävnad. I synnerhet hydrogeler anpassning och mikromönster är utformade för att efterlikna muskel och brosk struktur sting ray. Den elektriskt ledande CNT-GelMA hydrogel fungerar som en cell byggnadsställning som förbättrar mognad och kontraktion beteende kardiomyocyter, medan mekaniskt robust PEGDA hydrogel ger strukturella brosk-liknande stöd till hela mjuk robot. För att övervinna den hårda och spröda karaktären av metallbaserade mikroelektroder, utformade vi en serpentin mönster som har hög flexibilitet och kan undvika att hämma den slående dynamiken i kardiomyocyter. Den inbyggda flexibla Au mikroelektroder ger elektrisk stimulering över den mjuka roboten, vilket gör det lättare att kontrollera kontraktion beteende hjärtvävnad.
Introduction
Moderna state-of-the-art mjuka robotar kan efterlikna hierarkiska strukturer och muskeldynamik i många levande organismer, såsom maneter1,2,sting ray2,bläckfisk3, bakterier4,och spermier5. Härma dynamiken och arkitekturen i naturliga system erbjuder högre prestanda när det gäller både energisk och strukturell effektivitet6. Detta är i sig relaterat till den mjuka naturen hos naturlig vävnad (t.ex. hud- eller muskelvävnad med en Youngs modulus mellan 104−109 Pa) vilket möjliggör högre frihetsgrader och överlägsen deformation och anpassningsförmåga jämfört med standardiserade ställdon (t.ex. en Youngs modulus vanligtvis mellan 109−1012 Pa)6. Hjärt muskel-baserade mjuk-ställdon, särskilt, visar överlägsen energieffektivitet på grund av deras självaktivering samt deras potential för autorepair och förnyelse jämfört med ett mekaniskt baserat robotsystem7. Tillverkningen av mjuka robotar är dock utmanande på grund av nödvändigheten av att integrera olika komponenter med olika fysiska, biologiska och mekaniska egenskaper i ett system. Till exempel måste konstruerade syntetiska system integreras med levande biologiska system, inte bara ge dem strukturellt stöd utan också påverka och modulera deras aktiveringsbeteende. Dessutom kräver många mikrotillverkningsmetoder hårda/cytototoxiska processer och kemikalier som minskar livskraften och funktionen hos eventuella levande komponenter. Därför är nya metoder nödvändiga för att förbättra funktionaliteten hos de mjuka robotarna och för att kontrollera och modulera deras beteende.
För att framgångsrikt integrera levande komponenter med god lönsamhet är en hydrogelbaserad byggnadsställning ett utmärkt material för att skapa kroppen av en mjuk robot. En hydrogel fysiska och mekaniska egenskaper kan enkelt justeras för att skapa mikromiljöer för levande komponenter såsom muskelvävnader8,9. Dessutom kan det enkelt anta olika microfabrication tekniker, vilket resulterar i skapandet av hierarkiska strukturer med high fidelity1,2,10. Flexibla elektroniska apparater kan införlivas i den mjuka roboten för att styra sitt beteende med elektrisk stimulering. Till exempel, optogenetiska tekniker för att konstruera elektrogena celler (t.ex. kardiomyocyter), som visar en ljusberoende elektrofysiologisk aktivering, har använts för att utveckla en polydimethylsiloxane (PDMS)-baserade mjuk robot sting ray styrs av ljus som kunde återskapa den böljande rörelsen av fisken in vitro2. Även om optogenetiska tekniker har visat utmärkt kontrollerbarhet, använder det presenterade arbetet elektrisk stimulering, en konventionell och traditionell simuleringsmetod. Detta beror på att elektrisk stimulering via flexibla mikroelektroder är enkel och enkel jämfört med optogenetiska tekniker, som kräver omfattande utvecklingsprocesser11. Användning av flexibla elektroniska apparater kan möjliggöra långsiktig stimulering och standard /enkel tillverkning processer samt intekande biokompatibilitet och fysiska och mekaniska egenskaper12,13.
Här presenterar vi en innovativ metod för att tillverka en bioinspirerad mjuk robot, aktiveras av misshandel av konstruerad hjärtmuskelvävnad och styrs av elektrisk stimulering genom inbäddade flexibla Au mikroelektroder. Den mjuka roboten är utformad för att efterlikna muskel- och broskstrukturen i stingstrålen. Stingstrålen är en organism med en relativt lätt att efterlikna struktur och rörelse jämfört med andra badarter. Musklerna återskapas in vitro genom sådd kardiomyocyter på ett elektriskt ledande hydrogel mikromönster. Som tidigare rapporterats, införliva elektriskt ledande nanopartiklar såsom CNT i GelMA hydrogel inte bara förbättrar den elektriska kopplingen av hjärtvävnaden, men också inducerar en utmärkt in vitro vävnad arkitektur och arrangemang8,9. Brosklederna härmar sedan med hjälp av ett mekaniskt robust PEGDA hydrogelmönster som fungerar som det mekaniskt robusta substratet i hela systemet. Flexibla Au-mikroelektroder med serpentinmönster är inbäddade i PEGDA-mönstret för att lokalt och elektriskt stimulera hjärtvävnaden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med denna metod kunde vi framgångsrikt tillverka en batoid fiskliknande bioinspirerad mjuk robot med en integrerad självaktivering hjärtvävnad på en flerskiktsstrukturerad byggnadsställning som styrs av inbäddade Au mikroelektroder. På grund av två distinkta mikromönstrade hydrogelskikt av PEGDA och CNT-GelMA hydrogels visade den bioinspirerade byggnadsställningen god mekanisk stabilitet och idealisk celljustering och mognad. PEGDA-mönstret lager, som fungerar som en brosk gemensamma av skelettet arkitektur i…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta dokument finansierades av National Institutes of Health (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award och 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).
