Bioinspired Soft Robot met ingebouwde micro-elektroden
Summary
Een bioinspired steiger wordt vervaardigd door een zachte fotolithografietechniek met mechanisch robuuste en elektrisch geleidende hydrogels. De micropatroon hydrogels bieden directionele cardiomyocyte cel uitlijning, wat resulteert in een op maat gemaakte richting van actuatie. Flexibele micro-elektroden zijn ook geïntegreerd in het schavot om elektrische controleerbaarheid voor een zelf-actulerend hartweefsel te brengen.
Abstract
Biogeïnspireerde zachte robotsystemen die levende organismen nabootsen met behulp van gemanipuleerd spierweefsel en biomaterialen zijn een revolutie in het huidige bioroboticaparadigma, vooral in biomedisch onderzoek. Het recreëren van kunstmatige levensachtige actuatiedynamiek is cruciaal voor een zacht-robotsysteem. Echter, de nauwkeurige controle en tuning van actuatie gedrag vertegenwoordigt nog steeds een van de belangrijkste uitdagingen van de moderne zachte robotsystemen. Deze methode beschrijft een goedkope, zeer schaalbare en gebruiksvriendelijke procedure om een elektrisch bestuurbare zachte robot te fabriceren met levensechte bewegingen die wordt geactiveerd en gecontroleerd door de samentrekking van hartspierweefsel op een micropatroonsteek ray-achtige hydrogel steiger. Het gebruik van zachte fotolithografiemethoden maakt het mogelijk om meerdere componenten succesvol te integreren in het zachte robotsysteem, waaronder op micropatroon hydrogel gebaseerde steigers met koolstofnanobuisjes (CNT’s) embedded gelatine methacryloyl (CNT-GelMA), poly(ethyleenglycol) diacrylaat (PEGDA), flexibel goud (Au) micro-elektroden en hartspierweefsel. In het bijzonder zijn de hydrogels uitlijning en micropatroon ontworpen om de spier- en kraakbeenstructuur van de steekstraal na te bootsen. De elektrisch geleidende CNT-GelMA hydrogel fungeert als een celsteiger die de rijping en contractie gedrag van cardiomyocyten verbetert, terwijl de mechanisch robuuste PEGDA hydrogel structurele kraakbeen-achtige ondersteuning biedt aan de hele zachte robot. Om de harde en broze aard van op metaal gebaseerde micro-elektroden te overwinnen, ontwierpen we een serpentinepatroon dat een hoge flexibiliteit heeft en kan voorkomen dat de kloppende dynamiek van cardiomyocyten wordt belemmerd. De ingebouwde flexibele Au-micro-elektroden zorgen voor elektrische stimulatie in de zachte robot, waardoor het gemakkelijker wordt om het contractiegedrag van hartweefsel te beheersen.
Introduction
Moderne state-of-the-art zachte robots kunnen de hiërarchische structuren en spierdynamiek van vele levende organismen nabootsen, zoals de kwallen1,2,sting ray2,octopus3,bacteriën4en sperma5. Het nabootsen van de dynamiek en architectuur van natuurlijke systemen biedt hogere prestaties in termen van zowel energetische als structurele efficiëntie6. Dit is intrinsiek gerelateerd aan de zachte aard van natuurlijk weefsel (bijvoorbeeld huid- of spierweefsel met een Young’s modulus tussen 104−109 Pa), wat zorgt voor een hogere mate van vrijheid en superieure vervorming en aanpassingsvermogen in vergelijking met standaard gemanipuleerde actuatoren (bijvoorbeeld een Young’s modulus meestal tussen 109−1012 Pa)6. Cardiale spiergebaseerde soft-actuatoren, in het bijzonder, tonen superieure energie-efficiëntie als gevolg van hun zelfbediening en hun potentieel voor autoreparatie en regeneratie in vergelijking met een mechanisch gebaseerd robotsysteem7. Echter, de fabricage van zachte robots is een uitdaging vanwege de noodzaak van de integratie van verschillende componenten met verschillende fysieke, biologische en mechanische eigenschappen in het ene systeem. Bijvoorbeeld, ontworpen synthetische systemen moeten worden geïntegreerd met levende biologische systemen, niet alleen hen te voorzien van structurele ondersteuning, maar ook het beïnvloeden en moduleren van hun actuatie gedrag. Bovendien vereisen veel microfabricagemethoden agressieve/cytotoxische processen en chemicaliën die de levensvatbaarheid en functie van levende componenten verminderen. Daarom zijn nieuwe benaderingen nodig om de functionaliteit van de zachte robots te verbeteren en hun gedrag te controleren en te moduleren.
Om levende componenten met een goede levensvatbaarheid succesvol te integreren, is een hydrogel-gebaseerde steiger een uitstekend materiaal om het lichaam van een zachte robot te creëren. De fysieke en mechanische eigenschappen van een hydrogel kunnen eenvoudig worden afgestemd om microomgevingen te creëren voor levende componenten zoals spierweefsels8,9. Ook kan het gemakkelijk verschillende microfabricagetechnieken aannemen, wat resulteert in het creëren van hiërarchische structuren met hoge trouw1,2,10. Flexibele elektronische apparaten kunnen worden opgenomen in de zachte robot om zijn gedrag te controleren met elektrische stimulatie. Zo zijn optogenetische technieken gebruikt om elektrogene cellen te ontwikkelen (bijvoorbeeld cardiomyocyten), die een lichtafhankelijke elektrofysiologische activering vertonen, gebruikt om een op polydimethylsiloxane (PDMS)-gebaseerde zachte robotsteekstraal te ontwikkelen die wordt geleid door licht dat in staat was om de ondulatische beweging van de vis in vitro 2 opnieuw tecreëren. Hoewel optogenetische technieken een uitstekende controleerbaarheid hebben aangetoond, maakt het gepresenteerde werk gebruik van elektrische stimulatie, een conventionele en traditionele simulatiemethode. Dit komt omdat elektrische stimulatie via flexibele micro-elektroden eenvoudig en eenvoudig is in vergelijking met optogenetische technieken, die uitgebreide ontwikkelingsprocessen vereisen11. Het gebruik van flexibele elektronische apparaten kan zorgen voor langdurige stimulatie en standaard/eenvoudige fabricageprocessen, evenals tunable biocompatibiliteit en fysieke en mechanische eigenschappen12,13.
Hier presenteren we een innovatieve methode om een biogeïnspireerde zachte robot te fabriceren, bediend door het slaan van gemanipuleerd hartspierweefsel en gecontroleerd door elektrische stimulatie door ingebedde flexibele Au-micro-elektroden. De zachte robot is ontworpen om de spier- en kraakbeenstructuur van de steekstraal na te bootsen. De steekstraal is een organisme met een relatief eenvoudig aan te bootsen structuur en beweging in vergelijking met andere zwemsoorten. De spieren worden in vitro nagemaakt door cardiomyocyten te zaaien op een elektrisch geleidend hydrogelmicropatroon. Zoals eerder gemeld, verbetert de integratie van elektrisch geleidende nanodeeltjes zoals CNT in de GelMA hydrogel niet alleen de elektrische koppeling van het hartweefsel, maar induceert het ook een uitstekende architectuur van in vitro weefsel en regeling8,9. De kraakbeengewrichten worden vervolgens nagebootst met behulp van een mechanisch robuust PEGDA hydrogel patroon dat fungeert als het mechanisch robuuste substraat van het hele systeem. Flexibele Au-micro-elektroden met een serpentinepatroon zijn ingebed in het PEGDA-patroon om lokaal en elektrisch het hartweefsel te stimuleren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Met behulp van deze methode konden we met succes een batoïde visachtige biogeïnspireerde zachte robot fabriceren met een geïntegreerd zelf-actulerend hartweefsel op een meerlaags gestructureerd schavot dat wordt gecontroleerd door ingebedde Au-micro-elektroden. Door twee verschillende micropatroon hydrogel lagen gemaakt van PEGDA en CNT-GelMA hydrogels, de bio-geïnspireerde steiger toonde een goede mechanische stabiliteit en ideale cel uitlijning en rijping. De PEGDA patroonlaag, die dient als kraakbeengewricht van d…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit document werd gefinancierd door de National Institutes of Health (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), het Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award, en 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 |
Riferimenti
- 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).
