कार्डिएक मस्सिकल-सेल आधारित एक्ट्यूएटर और स्व-स्थिर ब्योरोबोट - भाग 1
Summary
इस दो-भाग के अध्ययन में, एक जैविक एक्ट्यूएटर अत्यधिक लचीले पॉलीडिमथिलसिलोक्सीन (पीडीएमएस) कैंटिलीवर और जीवित मांसपेशी कोशिकाओं (कार्डियोयोमोसाइट्स) का उपयोग करके विकसित किया गया था, और इसकी विशेषता थी। जैविक एक्ट्यूएटर को एक आत्मनिर्भर, तैराकी बायरोबोट बनाने के लिए संशोधित पीडीएमएस सामग्रियों से बने आधार के साथ शामिल किया गया था।
Abstract
जैविक मशीन अक्सर बोरोबोट्स के रूप में संदर्भित होती हैं, जो जीवित घटकों की सिकुड़ा गतिविधि द्वारा पूरी तरह संचालित होती हैं, सेल या ऊतक-आधारित डिवाइस रहते हैं। अपने अंतर्निहित लाभों के कारण, बायरोबॉट पारंपरिक रूप से कृत्रिम रोबोटों के विकल्प के रूप में रुचि ले रहे हैं। विभिन्न अध्ययनों से जैविक एक्ट्यूएटर की शक्ति का उपयोग करने पर ध्यान केंद्रित किया गया है, लेकिन हाल ही में अध्ययनों में मात्रात्मक रूप से बायरोबोटों के प्रदर्शन की विशेषता है और कार्यक्षमता और दक्षता बढ़ाने के लिए उनके ज्यामिति का अध्ययन किया है। यहां, हम एक स्व-स्थिर स्विमिंग बायरोबोट के विकास का प्रदर्शन करते हैं जो बाहरी हस्तक्षेप के बिना अपनी पिच, गहराई और रोल बनाए रख सकते हैं। जैविक एक्ट्यूएटर और बायरोबोट के लिए पीडीएमएस स्कैफोल्ड का डिजाइन और निर्माण, फ़िब्रोनिक्टिन के साथ कार्यात्मककरण के अनुसार इस प्रथम भाग में वर्णित है। इस दो-भाग के लेख के दूसरे भाग में, हम कार्डिययोओमायसाइट्स का समावेश करते हैं और जैविक एंटू को चिह्नित करते हैंएटोर और बायरोबोट फ़ंक्शन दोनों एक आधार और पूंछ (ब्रैकट) शामिल करते हैं जो पंख आधारित प्रणोदन का उत्पादन करते हैं। पूंछ PDMS और लेजर उत्कीर्णन का उपयोग करते हुए नरम लिथोग्राफी तकनीकों के साथ बनाई गई है। डिवाइस आधार के साथ पूंछ को शामिल करने के बाद, यह एक सेल चिपकने वाला प्रोटीन के साथ कार्यात्मक होता है और कार्डिओमायोसाइट्स के साथ संगृहीत होता है। जैविक एनाकुएटर के आधार में एक ठोस गिलास बीड (एक वजन के रूप में कार्य करता है) के साथ एक ठोस पीडीएमएस ब्लॉक होता है। बायरोबोट के आधार में दो समग्र PDMS सामग्री, नी-पीडीएमएस और माइक्रोबौलून-पीडीएमएस (एमबी-पीडीएमएस) शामिल हैं। निकल पाउडर (नी-पीडीएमएस में) बाइक के दौरान चुंबकीय नियंत्रण की अनुमति देता है, जो कि कोशिकाओं के दौरान बीजिंग और स्थिरता होती है। Microballoons (MB-PDMS में) एमबी-डीडीएमएस की घनत्व को कम करते हैं, और बायरोबोट को फ्लोट करने और तेजी से तैरने में सक्षम बनाते हैं। विभिन्न सामूहिक घनत्व वाले इन दो सामग्रियों के उपयोग, बायरोबोट के किसी भी कोण पर एक सकारात्मक बहाली बल सुनिश्चित करने के लिए वजन वितरण पर सटीक नियंत्रण सक्षम किया गया। यह तकनीकचुंबकीय रूप से नियंत्रित स्व-स्थिर स्विमिंग बायरोबोट का उत्पादन करता है
Introduction
कई अनुप्रयोगों के लिए पारंपरिक रोबोटिक्स के विकल्प प्रदान करने के लिए जैविक कार्यवाहक और बायरोबोट सक्रिय रूप से अध्ययन किए जा रहे हैं। 5 , 6 , 7 , 8 , 5 , 5 , 5 , 4 , पंप 9 , 10 या पिप 11 , 12 , 13 पर चलने वाले बायरोबोट पहले ही विकसित हो चुके हैं इसी तरह, मांसपेशियों की कोशिकाओं को एक 3 डी रोल्ड PDMS संरचना 14 में शामिल किया जा सकता है। अक्सर, बायरोबोट बैकबोन को नरम लिथोग्राफी तकनीकों का उपयोग हाइड्रोजेल और पीडीएमएस (पॉलीडिमैथाइलसिलोक्सन) जैसी सामग्री के साथ किया जाता है। ये उनके लचीलेपन, बायोकैंपैतिब के कारण आकर्षक विकल्प हैंकठिनाई, और आसानी से ट्यून करने योग्य कठोरता लिविंग मांसपेशी कोशिकाओं को आमतौर पर संकुचन के माध्यम से बल उत्पादन प्रदान करने के लिए इन सामग्रियों के साथ शामिल किया जाता है। स्तनधारी हृदय की मांसपेशियों की कोशिकाओं (कार्डियोयोमोसाइट्स) और कंकाल की मांसपेशियों की कोशिकाओं का प्रभावी ढंग से क्रियान्वयन के लिए उपयोग किया गया है इन दोनों के अलावा, कमरे के तापमान 3 में बायरोबोट संचालित करने के लिए कीट मांसपेशियों के ऊतकों का इस्तेमाल किया गया है। इस दो-भाग के अध्ययन में, कार्डिओमायसाइट्स को अपने सहज संकुचन के कारण चुना गया था।
बायोरोबॉट पर पहले के शोध में जैविक एक्ट्यूएटर के विकास पर ध्यान केंद्रित किया गया था जबकि बायरोबोट वास्तुकला का अनुकूलन और बायरोबोटों के लिए आवश्यक कार्यात्मकताओं के विकास को काफी हद तक उपेक्षित किया गया था। हाल ही में, कुछ रिपोर्टें विभिन्न तैराकी विधियों के कार्यान्वयन का प्रदर्शन करती हैं जो प्रकृति में पाए जाने वाले प्रणोदन मोड से प्रेरित थीं। इन विधियों में विभिन्न प्राकृतिक प्रणोदन विधियों की नकल करने के लिए PDMS फिल्में और मांसपेशियों की कोशिकाओं को शामिल किया गया है। उदाहरण के लिए, फ़्लैगएला-आधारित प्रणोदन 1 , बायोमीमेटिक जेलीफ़िश प्रणोदन 2 , बायो-हाइब्रिड रे 4 , और पतली फिल्म PDMS स्विमिंग डिवाइस 13 की सूचना दी गई है।
इस पत्र में, हम तैरने वाले बायरोबोट्स को आत्मनिर्भरित करने की प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं जो विसर्जन की गहराई के साथ ही पिच और रोल को बनाए रख सकते हैं। बायरोबॉट में एक ठोस आधार या शरीर होता है, जो कि इसकी सतह से जुड़ी कार्डियोयोमोसाइट्स के साथ एक एकल ब्रैकट द्वारा प्रेरित होता है। कार्डिओमायसाइट्स ब्रेटिलाइवर को एक अनुदैर्ध्य दिशा में झुकाते हैं, जब वे अनुबंध करते हैं। तैराकी के इस फार्म को बहिष्कार स्वरूप तैराकी के रूप में वर्गीकृत किया गया है। बेस पर अतिरिक्त कार्यप्रणाली जोड़ने की क्षमता बहिष्कार तैराकी का एक अनूठा लाभ है। उदाहरण के लिए, कार्डिओमायोटिक संकुचन के लिए अतिरिक्त कारगोज या कंट्रोल सर्किटरी को ले जाने के लिए बेस का इस्तेमाल किया जा सकता है।
स्थिरताबायरोबोट के पिछले अध्ययनों में अक्सर बायरोबोट की अनदेखी की गई थी इस अध्ययन में, हमने बड़े पैमाने पर घनत्वों के अलग-अलग मिश्रित पीडीएमएस सामग्रियों के साथ बेस को डिजाइन करके स्व-स्थिरीकरण को लागू किया है। बायरोबोट इस प्रकार बाह्य गड़बड़ी के प्रतिरोध को दर्शाता है और इसकी डुबकी, गहराई, पिच और रोल, बिना सहायता प्राप्त, रखता है। पहली परत माइक्रोबौलून पीडीएमएस (एमबी-पीडीएमएस) है, यानी पीडीएमएस जो कि माइक्रोबौलून्स के साथ मिश्रित होती है, जो कि बॉयोरोबॉट की घनत्व को कम करती है, जिससे यह मीडिया में फ्लोट करने में सक्षम हो जाता है। दूसरी परत PDMS ब्रैकट है, और इसकी मोटाई ऐसे अनुरूप है, जो कार्डियोमोसाइट्स द्वारा उत्पन्न बल नाटकीय रूप से ब्रैकट को 45 डिग्री से 9 0 डिग्री तक मोड़ सकते हैं निचली परत निकल-पीडीएमएस (नी-पीडीएमएस) है, यानी निकल पाउडर के साथ मिलाया पीडीएमएस। यह परत कई कार्यों को करता है यह चुंबकीय है, और इसलिए एक चुंबक के साथ सेल बोने के दौरान, मध्यम के नीचे बायरोबोट को लंगराने की अनुमति देता है। निकल मिश्रण एमबी-पीडीएमएस से अधिक घनत्व है औरमध्यम, और फ्लोरिंग करते समय बायरोबोट की एक ईमानदार स्थिति सुनिश्चित करें। इस परत का वजन किसी भी पिच और रोल पर बोरोबोट पर एक बहाल टोक़ उत्पन्न करता है। इसके अलावा, नी-पीडीएमएस और एमबी-पीडीएमएस के बीच का अनुपात अनुपात डुबकी गहराई को बनाए रखता है। पेश प्रोटोकॉल मांसपेशियों की कोशिकाओं और ऊतकों की पिटाई बल की विशेषता में रुचि रखने वाले शोधकर्ताओं के लिए और साथ ही जो तैरने वाली बायरोबोट्स बनाना चाहते हैं, उनके लिए बहुत उपयोगी होगा।
कार्यात्मक जैविक एक्ट्यूएटर और बायरोबोट डिवाइसों के बीजिंग, कोशिकाओं के यांत्रिक और जैव रासायनिक लक्षण वर्णन और डिवाइस फ़ंक्शन के मात्रात्मक विश्लेषण को इस दो भाग के लेख के भाग 2 में और साथ ही हाल के 15 कार्य के बारे में विस्तार से वर्णित किया गया है।
Protocol
Representative Results
Discussion
विभिन्न हड़ताल तंत्र जलीय तैराकों 16 में मिल सकते हैं। इस अध्ययन में बायरोबोट की लोकोमोटेशन तंत्र फिन-आधारित गतिरोध का उपयोग करता है, विशेष रूप से ओस्टासिफ़ॉर्म लोकोमोशन। बहिष्कार तैराक एक प?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
एमटी होल्ली को लुइसियाना बोर्ड ऑफ रीजेंट्स के ग्रेजुएट फैलो प्रोग्राम द्वारा समर्थित किया गया है और सी। डैनियलसन हॉवर्ड ह्यूजेस मेडिकल इंस्टीट्यूट प्रोफेसर प्रोग्राम द्वारा समर्थित है। यह अध्ययन एनएसएफ़ ग्रांट नं। 1530884 द्वारा समर्थित है। लेखक उन्नत माइक्रोस्ट्रक्चर और डिवाइसेज (सीएएमडी) के केंद्र में क्लीनरूम का समर्थन करने के लिए धन्यवाद करना चाहते हैं।
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).
