Kardiyak Kas hücresine Dayalı Aktüatör ve Kendiliğinden Sertleşen Biorobot - BÖLÜM 1
Summary
Bu iki bölümlü çalışmada, biyolojik aktüatör, son derece esnek polidimetilsiloksan (PDMS) konsollar ve canlı kas hücreleri (kardiyomiyosit) kullanılarak geliştirildi ve karakterize edildi. Biyolojik harekete geçirici, kendinden dengelenen, yüzme biorobotu oluşturmak için değiştirilmiş PDMS malzemelerinden yapılmış bir tabana dahil edildi.
Abstract
Genellikle biorobot olarak adlandırılan biyolojik makineler, yalnızca yaşayan bileşenlerin kasılma aktivitesi ile güçlendirilen canlı hücre veya doku tabanlı cihazlardır. Doğal avantajları nedeniyle biorobotlar, geleneksel tamamen yapay robotlara alternatif olarak ilgi görüyor. Çeşitli çalışmalar, biyolojik aktuatörlerin gücünden yararlanmaya odaklanmıştır, ancak yakın zamanda yapılan çalışmalar biorobotların performansını nicel olarak karakterize etmiş ve geometrilerini fonksiyonellik ve verimliliği artırmak için incelemiştir. Burada, dış etkileşime girmeden ziftini, derinliğini ve rulosunu koruyabilen kendinden dengeli bir yüzme biorobotunun gelişimini gösteriyoruz. Biyolojik aktüatör ve biorobot için PDMS iskeletinin tasarımı ve imalatı, ardından fibronektin ile işlevselleştirme bu ilk bölümde anlatılmıştır. Bu iki bölümlü makalenin ikinci bölümünde, kardiyomiyositlerin dahil edilmesini ve biyolojik aktiviteyi karakterize ederizAtor ve biorobot işlevi. Her ikisi de kanat tabanlı tahrik üreten bir taban ve kuyruk (konsol) içerir. Kuyruk PDMS ve lazer oyma kullanarak yumuşak litografi teknikleri ile oluşturulmuştur. Kuyruğu cihaz tabanı ile birleştirdikten sonra, bir hücre yapışkan proteini ile işlevselleştirilir ve kardiyomiyositlerle konfluent olarak tohumlanır. Biyolojik harekete geçiricinin tabanı, merkezi bir cam boncuklu (ağırlığı görevi gören) katı bir PDMS bloğundan oluşur. Biorobotun tabanı, iki kompozit PDMS materyalinden, Ni-PDMS'den ve mikro-balon-PDMS'den (MB-PDMS) oluşur. Nikel tozu (Ni-PDMS'de), hücrelerin tohumlanması esnasında biorobotun manyetik olarak kontrol edilmesini ve lokomotion sırasında stabilite sağlar. Microballoons (MB-PDMS'de), MB-PDMS yoğunluğunu azaltır ve biorobot'u yüzer ve yüzmeyi istikrarlı bir şekilde sağlar. Bu iki maddenin farklı kütle yoğunluklarıyla kullanılması, biorobotun herhangi bir açıda olumlu bir restorasyon kuvveti sağlamak için ağırlık dağılımı üzerinde hassas kontrolü mümkün kıldı. Bu teknikManyetik olarak kontrol edilen kendi kendini stabilize eden yüzme biorobotu üretir.
Introduction
Biyolojik aktüatörler ve biorobotlar, sayısız uygulama için klasik robotiklere bir alternatif sağlamak için aktif olarak çalışılmaktadır. 5 , 6 , 7 , 8 , yüzme 1 , 2 , 3 , 4 , pompa 9 , 10 veya sap 11 , 12 , 13 yürüten biorobotlar Zaten geliştirildi. Benzer şekilde, kas hücreleri 3D yuvarlanmış PDMS yapısına 14 dahil edilebilir . Genellikle, biorobot omurgalar, hidrojeller ve PDMS (polidimetilsiloksan) gibi malzemelerle yumuşak litografi teknikleri kullanılarak imal edilir. Bunlar esnek olmaları nedeniyle cazip seçimlerdir, biyokompatibIlity ve kolayca ayarlanabilen sertlik. Canlı kas hücreleri, genellikle, kasılma yoluyla kuvvet üretmek için bu malzemelerle birleştirilir. Memeli kalp kası hücreleri (kardiyomiyosit) ve iskelet kası hücreleri baskın olarak harekete geçirmek için kullanılmıştır. Bu ikisinin yanında, oda sıcaklığında biorobotları çalıştırmak için böcek kas dokuları kullanılmıştır 3 . Bu iki bölümlü çalışmada, kendiliğinden kasılmaları nedeniyle kardiyomiyosit seçildi 6 .
Daha önce yapılan biorobots araştırmalarının çoğu, biyolojik aktüatörlerin geliştirilmesine odaklanmış ve biorobot mimarisinin optimizasyonu ve biorobotlar için gerekli işlevlerin geliştirilmesi büyük ölçüde ihmal edilmiştir. Son zamanlarda, birkaç rapor, doğada bulunan tahrik modlarından ilham alan farklı yüzme modlarının uygulanmasını gösterdi. Bu yöntemler, çeşitli doğal itme yöntemlerini taklit etmek için PDMS filmleri ve kas hücrelerini içerir. Örneğin, flamanlı tabanlı tahrik 1 , biyomimetik denizanası tahrik 2 , biyo-hibrid ışın 4 ve ince film PDMS yüzme cihazları 13 bildirilmiştir.
Bu yazıda, daldırma derinliğini ve perde ve ruloyu koruyabilen kendinden stabilize yüzme biorobotlarının üretim sürecini sunuyoruz. Biorobotun sağlam bir tabanı veya gövdesi vardır, bu da tek bir konsol tarafından itilir ve yüzeye kardiyomiyosit eklenir. Kardiyomiyositler konsolun sözleşme yaptıklarında uzunlamasına yönde bükülmesine neden olur. Bu yüzme şekli ostra skiller şeklinde sınıflandırılır. Bazda ek işlevler ekleme özelliği ostra skil yüzmenin benzersiz bir avantajıdır. Örneğin, taban, kardiyomiyosit kasılması için ilave yükler veya kontrol devresi taşımak için aşırı yüzme kuvveti sağlamak için kullanılabilir.
istikrarBiorobotun daha önceki çalışmalarında sıklıkla gözden kaçırıldı. Bu çalışmada, kütle yoğunluğu farklı olan farklı kompozit PDMS materyalleri ile taban tasarımı yapılarak kendi kendine stabilizasyon uygulandı. Biorobot, böylece dış etkenlere karşı direnç gösterir ve su altında kalma derinliği, zift ve rulonunu korur. Birinci tabaka mikrobalun PDMS (MB-PDMS), yani mikrobalonlarla karıştırılmış PDMS, bu da biorobotun yoğunluğunu düşürerek medyada yüzmesini sağlar. İkinci kat PDMS konsoludur ve kalp kalınlığı, kardiyomiyositlerin oluşturduğu kuvvet konsolun 45 ° ila 90 ° arasında çarpması için uyarlanmıştır. Alt tabaka, nikel-PDMS (Ni-PDMS), yani nikel tozu ile karıştırılmış PDMS'dir. Bu katman birden fazla işlevi yerine getirir. Manyetiktir ve bu nedenle, biyolojik köpeğin, ortamın altına, hücre tohumlaması sırasında, bir mıknatısla demirlemesine izin verir. Nikel karışımı MB-PDMS'den daha yüksek yoğunlukta veOrta ve yüzer haldeyken biorobotun dik konumda olmasını sağlayın. Bu tabakanın ağırlığı biorobot üzerinde herhangi bir adım ve rulo üzerinde bir geri yükleme torku oluşturur. Ayrıca, Ni-PDMS ile MB-PDMS arasındaki hacim oranı dalma derinliğini korur. Sunulan protokoller, kas hücrelerinin ve dokuların dayak kuvvetini karakterize etmek isteyen araştırmacıların yanı sıra yüzme biorobotları kurmak isteyenler için son derece yararlı olacaktır.
Fonksiyonlu biyolojik harekete geçiricinin ve biorobot cihazların tohumlanması, hücrelerin mekanik ve biyokimyasal olarak karakterizasyonu ve cihaz işlevinin kantitatif analizi, bu iki bölümlü makalenin 2. Bölümünde ve yakın zamanda yayınlanan 15 çalışmada ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Çeşitli yüzme mekanizmaları, sudaki yüzücüler arasında görülebilir 16 . Bu çalışmada biorobotun hareket mekanizması yüzgeç-tabanlı hareket, özellikle ostra sklerom hareket kullanmaktadır. Ostra skilli yüzücüler, bir kuyruk (konsol) sallayıp katı bir gövdeye (katmanlı taban) sahip olarak kendilerini zorlarlar 16 . Boxfish ve cowfish gibi balıklar bu lokomotion türlerini kullanırlar. Ostra skilli yüzücüler genellikle yavaştır ve verimsiz vü…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT Holley, Regents Louisiana Board of Graduate Fellows programı tarafından desteklenmekte ve C. Danielson, Howard Hughes Tıp Enstitüsü Profesör Programı tarafından desteklenmektedir. Bu çalışma NSF Grant No: 1530884 tarafından desteklenmektedir. Yazarlar, İleri Mikro Yapı ve Cihazlar Merkezi'ndeki (CAMD) temiz oda desteğine teşekkür etmek istemektedirler.
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).
