תא שריר לב מבוסס מפעיל ומייצב עצמי ביורובוט - חלק 1
Summary
במחקר זה שני חלקים, actuator ביולוגי פותחה באמצעות polylyimethylsiloxane גמישים (PDMS) cantilevers ותאי שריר חיים (cardiomyocytes), ומאופיינת. המפעיל הביולוגי שולב עם בסיס עשוי מחומרים PDMS שונה לבנות עצמית מייצב, שחייה biorobot.
Abstract
מכונות ביולוגיות המכונה לעתים קרובות biorobots, הם חיים תאים או מבוססי רקמות התקנים המופעלים אך ורק על ידי פעילות קונקרטית של מרכיבים חיים. בשל היתרונות הגלומים בהם, biorobots הם צובר עניין כחלופות רובוטים מלאכותיים מסורתיים מלא. מחקרים שונים התמקדו ברתמת כוחם של המפעילים הביולוגיים, אך רק לאחרונה מחקרים איפיינו כמותית את הביצועים של biorobots ולמדו הגיאומטריה שלהם כדי לשפר את הפונקציונליות ואת היעילות. כאן, אנו מדגימים את הפיתוח של ביורובוט שחייה עצמית המייצב כי יכול לשמור על המגרש, עומק, רול ללא התערבות חיצונית. העיצוב ואת ייצור של פיגום PDMS עבור actuator ביולוגי biorobot ואחריו פונקציונליזציה עם fibronectin מתואר בחלק זה הראשון. בחלק השני של מאמר זה שני חלקים, אנו מפרטים את שילוב של cardiomyocytes ולאפיין את actu הביולוגיAtor ו biorobot פונקציה. שניהם לשלב בסיס וזנב (שלוחה) אשר מייצרים הנעה מבוסס סנפיר. הזנב בנוי עם טכניקות ליתוגרפיה רך באמצעות תחריט PDMS לייזר. לאחר שילוב הזנב עם בסיס המכשיר, הוא functionalized עם חלבון דבק תא ו seeded confluently עם cardiomyocytes. הבסיס של actuator ביולוגי מורכב בלוק PDMS מוצק עם חרוז זכוכית מרכזי (מעשים כמו משקל). הבסיס של biorobot מורכב משני חומרים PDMS מורכבים, Ni-PDMS ו microballoon-PDMS (MB-PDMS). אבקת ניקל (ב Ni-PDMS) מאפשר שליטה מגנטית של biorobot במהלך זריעת תאים ויציבות במהלך תנועה. Microballoons (ב MB-PDMS) להקטין את הצפיפות של MB-PDMS, ולאפשר את biorobot לצוף ולשחות בהתמדה. השימוש בשני חומרים אלה עם צפיפות המונית שונים, אפשר שליטה מדויקת על חלוקת משקל כדי להבטיח כוח שחזור חיובי בכל זווית של biorobot. טכניקה זומייצרת ביורובוט שחייה ביציבות עצמית מגנטית.
Introduction
ביולוגים actuators ו biorobots נלמדים באופן פעיל כדי לספק חלופה קונבנציונאלי רובוטיקה עבור יישומים רבים. Biorobots ללכת 5 , 6 , 7 , 8 , לשחות 1 , 2 , 3 , 4 , משאבה 9 , 10 , או אחיזה 11 , 12 , 13 כבר פותחו. באופן דומה, תאי שריר יכול להיות משולב לתוך מבנה 3D התגלגל PDMS 14 . לעתים קרובות, עמוד השדרה biorobot הם מפוברקות באמצעות טכניקות ליתוגרפיה רכה עם חומרים כגון הידרוגים PDMS (polydimethylsiloxane). אלה הן אפשרויות אטרקטיביות בגלל הגמישות שלהם, biocompatibIlity, וקשיחות מתכווננת בקלות. תאים שרירים חיים משולבים בדרך כלל עם חומרים אלה כדי לספק כוח בכוח באמצעות התכווצות. תאי שריר הלב יונקים (cardiomyocytes) ותאי שריר השלד יש דומיננטית שימש actuation. מלבד אלה שני, רקמות שריר חרקים שימשו לפעול biorobots בטמפרטורת החדר 3 . במחקר זה שני חלקים, Cardiomyocytes נבחרו בגלל התכווצות ספונטנית שלהם 6 .
הרבה מחקרים קודמים על biorobots התמקדה בפיתוח המפעילים הביולוגיים תוך אופטימיזציה של הארכיטקטורה biorobot ופיתוח של פונקציות חיוניות עבור biorobots הוזנחו במידה רבה. לאחרונה, כמה דוחות הוכיחו את יישום של מצבי שחייה שונים אשר בהשראת מצבי הנעה נמצא בטבע. שיטות אלה משלבות סרטים PDMS ותאי שריר לחקות שיטות הנעה טבעיות שונות. לדוגמה, הנעה מבוסס flagella 1 , הנעה מדוזה biomimetic 2 , ביו היברידי ריי 4 , ו סרט דק PDMS שחייה התקנים 13 דווחו.
במאמר זה, אנו מציגים את תהליך ייצור של biorobots עצמית מייצב שחייה אשר יכול לשמור על עומק טבילה, כמו גם נפילה לגלגל. ביורובוט יש בסיס מוצק או גוף, אשר מונע על ידי יחידה אחת עם cardiomyocytes מחוברת על פני השטח שלה. Cardiomyocytes לגרום שלוחה להתכופף בכיוון האורך כאשר הם מתכווצים. צורה זו של שחייה מסווגת כמו שחייה ostraciiform. היכולת להוסיף פונקציות נוספות על הבסיס היא יתרון ייחודי של שחייה ostraciiform. לדוגמה, הבסיס יכול להיות מנוצל כדי לספק עודף ציפה לשאת מטען נוסף או מעגל שליטה על התכווצות cardiomyocyte.
יַצִיבוּתשל biorobot היה לעתים קרובות התעלמו מחקרים קודמים של biorobots. במחקר זה, יישמנו את הייצוב העצמי על ידי תכנון הבסיס עם חומרים שונים PDMS מרוכבים של צפיפות המונית משתנה. ביורובוט ובכך מציג התנגדות להפרעות חיצוניות ושומרת על עומק הטבילה שלה, גובה המגרש וגלגול, ללא עזרה. השכבה הראשונה היא PDMS microballoon (MB-PDMS), כלומר PDMS מעורבב עם microballoons, אשר מוריד את הצפיפות של biorobot, מה שמאפשר לו לצוף בתקשורת. השכבה השנייה היא שלוחה PDMS, ועובי שלה מותאם כך כוח שנוצר על ידי cardiomyocytes יכול באופן דרמטי לכופף את שלוחה מ 45 ° ל 90 °. השכבה התחתונה היא ניקל PDMS (Ni-PDMS), כלומר PDMS מעורבב עם אבקת ניקל. שכבה זו מבצעת מספר פונקציות. הוא מגנטי, ולכן מאפשר biorobot להיות מעוגן בתחתית המדיום, במהלך זריעת תאים, עם מגנט. תערובת ניקל הוא של צפיפות גבוהה יותר מאשר MB-PDMS ובינוני, ולוודא עמדה זקופה של biorobot בזמן צף. המשקל של שכבה זו מייצר מומנט שחזור על biorobot בכל המגרש אנד רול. כמו כן, יחס עוצמת הקול בין ה- Ni-PDMS לבין ה- MB-PDMS שומר על עומק הטבילה. הפרוטוקולים שהוצגו יהיה שימושי מאוד לחוקרים המעוניינים לאפיין את כוח המכות של תאי שריר ורקמות, כמו גם אלה שרוצים לבנות biorobots שחייה.
זריעה של actuator ביולוגי פונקציונלי התקני biorobot, אפיון מכני וביוכימי של התאים, ואת הניתוח הכמותי של פונקציית המכשיר מתוארים בפירוט בחלק 2 של מאמר זה שני חלקים, כמו גם את העבודה האחרונה 15 .
Protocol
Representative Results
Discussion
ניתן למצוא מנגנוני תנועה שונים בקרב השחיינים הימיים. מנגנון התנועה של biorobot במחקר זה משתמש בתנועה מבוסס סנפיר, במיוחד תנועה ostraciiform. שחיינים אוסטראציפיים דוחפים את עצמם על ידי מכשכש בזנב (שלוחה) ויש להם גוף נוקשה (בסיס שכבות) 16 . דגים כגון boxfish ו cowfish להשתמש ב…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT Holley נתמך על ידי תוכנית עמיתי בוגרים של מועצת לואיזיאנה של Regents ו C. Danielson נתמך על ידי הווארד יוז מכון רפואי הפרופסורים התוכנית. מחקר זה נתמך על ידי NSF גרנט No: 1530884. המחברים מבקשים להודות לתמיכה של cleanroom במרכז עבור מתקדם Microstructures והתקנים (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).
