Cardiac Spier-Cell Based Actuator en Zelfstabiliserende Biorobot - DEEL 1
Summary
In deze tweedelige studie werd een biologische actuator ontwikkeld met behulp van zeer flexibele polydimethylsiloxaan (PDMS) cantilevers en levende spiercellen (cardiomyocyten) en gekenmerkt. De biologische actuator werd geïntegreerd met een basis gemaakt van gemodificeerde PDMS materialen om een zelfstabiliserende, zwemmende biorobot te bouwen.
Abstract
Biologische machines, vaak aangeduid als biorobots, zijn levende cellen of weefsels gebaseerde apparaten die alleen worden aangedreven door de contractiele activiteit van levende componenten. Vanwege hun inherente voordelen, biorobots krijgen interesse als alternatieven voor traditionele volledig kunstmatige robots. Verschillende studies hebben gericht op het gebruik van de kracht van biologische actuatoren, maar recentelijk hebben studies de kwantitatieve kenmerken van biorobots gekenmerkt en hun geometrie bestudeerd om de functionaliteit en efficiëntie te verbeteren. Hier demonstreert u de ontwikkeling van een zelfstabiliserende zwem biorobot die zijn toonhoogte, diepte en rol kan behouden zonder externe interventie. Het ontwerp en fabricage van de PDMS-steiger voor de biologische actuator en biorobot gevolgd door de functionalisatie met fibronectine wordt beschreven in dit eerste deel. In het tweede deel van dit tweedelig artikel geven we de opneming van cardiomyocyten op en karakteriseren we de biologische actuatorAtor en biorobot functie. Beiden zijn voorzien van een basis en staart (cantilever) die op een gefineerde voortstuwing produceert. De staart is gebouwd met zachte lithografie technieken met behulp van PDMS en lasergravure. Na het inbouwen van de staart met de apparaatbasis, wordt het gefunctionaliseerd met een cel kleef eiwit en gecombineerd met cardiomyocyten gecoördineerd. De basis van de biologische actuator bestaat uit een stevig PDMS blok met een centrale glazen kraal (werkt als een gewicht). De basis van de biorobot bestaat uit twee samengestelde PDMS materialen, Ni-PDMS en microballoon-PDMS (MB-PDMS). Het nikkelpoeder (in Ni-PDMS) zorgt voor magnetische controle van de biorobot tijdens het zaaien en stabiliseren van cellen tijdens de beweging. Microballoons (in MB-PDMS) verminderen de dichtheid van MB-PDMS, en laten de biorobot dadelijk zweven en zwemmen. Het gebruik van deze twee materialen met verschillende massadichtheden zorgde voor een nauwkeurige controle over de gewichtsverdeling om een positieve herstelkracht bij elke hoek van de biorobot te waarborgen. Deze techniekProduceert een magnetisch gestuurde zelfstabiliserende zwem biorobot.
Introduction
Biologische actuatoren en biorobots worden actief onderzocht om een alternatief te bieden voor conventionele robotica voor talrijke toepassingen. Biorobots die 5 , 6 , 7 , 8 lopen , zwemmen 1 , 2 , 3 , 4 , pomp 9 , 10 of greep 11 , 12 , 13 Zijn al ontwikkeld. Op dezelfde manier kunnen spiercellen worden opgenomen in een 3D-gerold PDMS structuur 14 . Vaak worden de biorobot backbones vervaardigd met zachte lithografie technieken met materialen zoals hydrogelen en PDMS (polydimethylsiloxaan). Dit zijn aantrekkelijke keuzes vanwege hun flexibiliteit, biocompatibIlity, en gemakkelijk afstelbare stijfheid. Levende spiercellen worden gewoonlijk in deze materialen ingebouwd om krachtgeneratie door middel van contractie te leveren. Mammale hartspiercellen (cardiomyocyten) en skeletspiercellen zijn dominant gebruikt voor activering. Naast deze twee zijn insectespierweefsels gebruikt om biorobots bij kamertemperatuur 3 te bedienen. In deze tweedelige studie werden cardiomyocyten gekozen door hun spontane samentrekking 6 .
Veel eerder onderzoek naar biorobots was gericht op de ontwikkeling van de biologische actuatoren, terwijl de optimalisatie van de biorobot-architectuur en de ontwikkeling van essentiële functionaliteiten voor de biorobots grotendeels verwaarloosd waren. Onlangs hebben enkele rapporten de implementatie van verschillende zwemmodi aangetoond die geïnspireerd zijn op voortstuwingsmodi die in de natuur voorkomen. Deze methoden omvatten PDMS films en spiercellen om verschillende natuurlijke voortstuwingsmethoden te nabootsen. Bijvoorbeeld zijn flagella-gebaseerde voortstuwing 1 , biomimetische jellyfish propulsion 2 , biohybrid ray 4 en dunne PDMS-zwemmende apparaten 13 gemeld.
In dit document presenteren we het fabricageproces van zelfstabiliserende zwem biorobots die de onderdompeldheid evenals pitch en roll kunnen behouden. De biorobot heeft een solide basis of lichaam, die wordt aangedreven door een enkele cantilever met cardiomyocyten die aan zijn oppervlak zijn bevestigd. De cardiomyocyten veroorzaken dat de cantilever in een longitudinale richting buigt wanneer zij contracten. Deze vorm van zwemmen is geclassificeerd als ostraciiform zwemmen. Het vermogen om extra functionaliteiten op de basis toe te voegen is een uniek voordeel van ostraciiform zwemmen. Bijvoorbeeld kan de basis gebruikt worden om overmatige drijfvermogen te verschaffen om aanvullende ladingen of controlecircuits te dragen voor cardiomyocyt samentrekking.
StabiliteitVan de biorobot werd vaak over het hoofd gezien in eerdere studies van biorobots. In deze studie hebben we zelfstabilisatie geïmplementeerd door de basis te ontwerpen met verschillende samengestelde PDMS materialen met verschillende massadichtheden. De biorobot vertoont dus weerstand tegen externe storingen en handhaaft zijn onderdompeldiepte, toonhoogte en rol, zonder hulp. De eerste laag is microballoon PDMS (MB-PDMS), dat wil zeggen PDMS gemengd met microballonnen, wat de dichtheid van de biorobot verlaagt, waardoor het in de media kan drijven. De tweede laag is de PDMS cantilever, en de dikte ervan is zodanig aangepast dat kracht die door de cardiomyocyten wordt gegenereerd, de cantilever drastisch kan buigen van 45 ° tot 90 °. De onderste laag is nikkel-PDMS (Ni-PDMS), dat wil zeggen PDMS gemengd met nikkelpoeder. Deze laag voert meerdere functies uit. Het is magnetisch, waardoor de biorobot onderaan het medium verankerd kan worden tijdens het zaaien met een magneet. Het nikkelmengsel heeft een hogere dichtheid dan de MB-PDMS enMedium, en zorg ervoor dat de biorobot rechtop staat terwijl u drijft. Het gewicht van deze laag genereert op elke baan en rol een herstelkoppel op de biorobot. Ook houdt de volumeverhouding tussen de Ni-PDMS en de MB-PDMS de submersiediepte vast. De gepresenteerde protocollen zouden zeer nuttig zijn voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het karakteriseren van de klopcellen van spiercellen en weefsels, evenals degenen die biorobotten willen bouwen.
Het zaaien van de gefunctionaliseerde biologische actuator en biorobotinrichtingen, de mechanische en biochemische karakterisering van de cellen en de kwantitatieve analyse van de apparaatfunctie worden in detail beschreven in deel 2 van dit twee-delig artikel, evenals in het recente werk 15 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Verschillende locomotiemeganismes zijn te vinden onder waterzwemmers 16 . Het bewegingsmechanisme van de biorobot in deze studie maakt gebruik van fin-gebaseerde locomotie, met name ostraciale locomotie. Ostraciiform zwemmers proberen zich door een staart (cantilever) te wagen en een stijf lichaam (gelaagde basis) 16 te hebben . Vissen zoals de bokvissen en veevissen gebruiken dit soort locomotief. Ostraciiform zwemmers zijn typisch traag en hebben inefficiënte lichaamsaf…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT Holley wordt ondersteund door het programma Graduate Fellows van het Louisiana Board of Regents en C. Danielson wordt ondersteund door het Howard Hughes Medical Institute Professors Programma. Deze studie wordt ondersteund door NSF Grant No: 1530884. De auteurs bedanken de steun van het cleanroom bij het Center for Advanced Microstructures and Devices (CAMD).
Materials
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | 184 sil elast kit 0.5kg | Sylgard 184 |
| Nickel Powder | Sigma-Aldrich | 266981-100G | |
| Phenolic microballoons | US Composites | BJO-0930 | |
| Silicon wafers | 4 inch diameter | ||
| PWM101 light-duty spinner | Spin- coater | ||
| Positive photoresist (S1808) | Dow Corning | DEM-10018197 | |
| Hotplate | |||
| Vacuum chamber | |||
| M206 mechanical convection oven | Convection oven | ||
| Laser engraver | Universal Laser System | VLS2.30 | Utilizes a 10W, 10.6 µm wavelength, CO2 Laser |
| Universal Laser Systems Application | Universal Laser System | Application for running the VLS 2.30 | |
| Matlab | MathWorks | Numerical analysis program | |
| Scotch Tape | Scotch Brand | ||
| Solid-glass beads | Sigma-Aldrich | Z265926-1EA | Soda-lime glass, diameter 3 mm |
| Scale | Mettler Toledo | EL303 | |
| BD-20AC Laboratory Corona Treater | Electrotechnic Products | 12051A | Corona Discharger |
| Ultrasonic Bath 1.9L | Fisher Scientific | 15-337-402 | 40 kHz industrial transducer |
| Fibronectin from bovine plasma | Sigma-Aldrich | F1141 | |
| Dulbecco’s Phosphate Buffer (PBS) | Sigma-Aldrich | D1408-100ML | |
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) | Hyclone Laboratories | 16750-074 | With 4500 mg/L glucose, 4.0 mM L-glutamine, and 110 mg/L sodium pyruvate. |
| Fetalclone III serum | Hyclone Industries, GE | 16777-240 | Fetal bovine serum |
| Penicillin-G sodium salt | Sigma-Aldrich | P3032 |
Riferimenti
- Williams, B., Anand, S., Rajagopalan, J., Saif, M. A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number. Nat commun. 5, (2014).
- Nawroth, J., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nat Biotechnol. 30 (8), 729-797 (2012).
- Huge Herr, ., D, A swimming Robot Actuated by Living Muscle Tissue. J Neuroeng. Rehabil. 1, (2004).
- Park, S., al, e. l. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
- Chan, V., Park, K., Colleens, M., Kong, H., Saif, T., Bashir, R. Development of miniaturized walking biological machines. Sci. Rep. 2, 857 (2012).
- Cvetkovic, C., et al. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle. PNAS. 111, 10125-10130 (2014).
- Xi, J., Scmidt, J., Montemagno, C. Self-assembled microdevices driven by muscle. Nat. Mater. 4, 180-184 (2005).
- Kim, J., et al. Establishment of a fabrication method for a long-term actuated hybrid cell robot. Lab Chip. 7, 1504-1508 (2007).
- Tanaka, Y., Sato, K., Shimizu, T., Yamato, M., Okano, T., Kitamori, T. A micro-spherical heart pump powered by cultured cardiomyocytes. Lab Chip. 7, 207-212 (2007).
- Park, J., et al. Micro pumping with cardiomyocyte-polymer hybrid. Lab Chip. 7, 1367-1370 (2007).
- Akiyama, Y. Atmospheric-operable bioactuator powered by insect muscle packaged with medium. Lab Chip. 13, 4870-4880 (2013).
- Kabumoto, K., Hoshino, T., Akiyama, Y., Morishima, K. Voluntary movement controlled by the surface EMG signal for tissue-engineered skeletal muscle on a gripping tool. Tissue Eng. Part A. 19, 1695-1703 (2013).
- Feinberg, A., Feigel, A., Shevkoplyas, S., Sheehy, S., Whitesides, G., Parker, K. Muscular thin films for building actuators and powering devices. Science. 317 (5843), 1366-1370 (2007).
- Vannozi, L., et al. Self-assembly of polydimethylsiloxane structures from 2D to 3D for bio-hybrid actuation. Bioinspiration Biomimetics. 10 (5), (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, 3473-3484 (2016).
- Sfakiotakis, M., Lane, D., Davies, J. Review of fish swimming modes for aquatic locomotion. IEEE J. Oceanic Eng. 24, 237-252 (1999).
- McCain, M., Agarwal, A., Hesmith, H., Nesmith, A., Parker, K. Micromolded gelatin hydrogels for extended culture of engineered cardiac tissues. Biomaterials. 35 (21), 5462-5471 (2014).
