एक बायोप्रेरित पाड़ यांत्रिक रूप से मजबूत और विद्युत रूप से संचालित हाइड्रोगेल का उपयोग करके एक नरम फोटोलिथोग्राफी तकनीक द्वारा निर्मित है। माइक्रोपैटर्नयुक्त हाइड्रोगेल दिशात्मक कार्डियोमायोसाइट सेल संरेखण प्रदान करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक्शुअल डायरेक्शन होता है। लचीला माइक्रोइलेक्ट्रोड भी पाड़ में एकीकृत करने के लिए एक आत्म एक्चुएटिंग हृदय ऊतक के लिए बिजली की नियंत्रण क्षमता लाने के लिए कर रहे हैं ।
जैव प्रेरित नरम रोबोट सिस्टम जो इंजीनियर मांसपेशियों के ऊतकों और बायोमैटेरियल्स का उपयोग करके जीवित जीवों की नकल करते हैं, वर्तमान बायोरोबोटिक्स प्रतिमान में क्रांतिकारी बदलाव कर रहे हैं, विशेष रूप से जैव चिकित्सा अनुसंधान में। कृत्रिम जीवन की तरह एक्टयूशन गतिशीलता को पुनः बनाने के एक नरम रोबोट प्रणाली के लिए महत्वपूर्ण है । हालांकि, सटीक नियंत्रण और एक्ट्यूएशन व्यवहार की ट्यूनिंग अभी भी आधुनिक नरम रोबोट प्रणालियों की मुख्य चुनौतियों में से एक का प्रतिनिधित्व करता है । यह विधि एक कम लागत, अत्यधिक स्केलेबल, और आसान ी से उपयोग करने की प्रक्रिया का वर्णन करने के लिए जीवन की तरह आंदोलनों के साथ एक विद्युत नियंत्रणीय नरम रोबोट बनाने के लिए है कि सक्रिय और एक micropatterned स्टिंग पर हृदय मांसपेशी ऊतक के संकुचन से नियंत्रित है रे की तरह हाइड्रोजेल पाड़। सॉफ्ट फोटोलिथोग्राफी विधियों का उपयोग सॉफ्ट रोबोटिक सिस्टम में कई घटकों को सफलतापूर्वक एकीकृत करना संभव बनाता है, जिसमें कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) एम्बेडेड जिलेटिन मेथाक्रिलोइल (सीएनटी-जेलमा) के साथ माइक्रोपैटर्न्ड हाइड्रोगेल आधारित मचान शामिल हैं, पॉली (एथिलीन ग्लाइकोल) डायक्रिलेट (पेगडा), लचीला सोना (एयू) माइक्रोइलेक्ट्रोड, और कार्डियक मांसपेशियों के ऊतक। विशेष रूप से, हाइड्रोगेल संरेखण और माइक्रोपैटर्न स्टिंग रे की मांसपेशियों और उपास्थि संरचना की नकल करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। विद्युत रूप से चालू सीएनटी-जेलमा हाइड्रोजेल एक सेल पाड़ के रूप में कार्य करता है जो कार्डियोमायोसाइट्स के परिपक्वता और संकुचन व्यवहार में सुधार करता है, जबकि यांत्रिक रूप से मजबूत पेगडा हाइड्रोगेल पूरे नरम रोबोट को संरचनात्मक उपास्थि की तरह समर्थन प्रदान करता है। धातु आधारित माइक्रोइलेक्ट्रोड की कठोर और भंगुर प्रकृति को दूर करने के लिए, हमने एक टेढ़ा पैटर्न तैयार किया जिसमें उच्च लचीलापन है और कार्डियोमायोसाइट्स की धड़कन गतिशीलता को बाधित करने से बच सकते हैं। शामिल लचीला Au माइक्रोइलेक्ट्रोड नरम रोबोट भर में विद्युत उत्तेजना प्रदान करते हैं, जिससे हृदय ऊतक के संकुचन व्यवहार को नियंत्रित करना आसान हो जाता है।
आधुनिक अत्याधुनिक नरम रोबोट कई जीवित जीवों की पदानुक्रमित संरचनाओं और मांसपेशियों की गतिशीलता की नकल कर सकते हैं, जैसे जेलीफिश1,2,स्टिंग रे2,ऑक्टोपस3,बैक्टीरिया4,और शुक्राणु5। प्राकृतिक प्रणालियों की गतिशीलता और वास्तुकला की नकल करना ऊर्जावान और संरचनात्मक दक्षतादोनोंके संदर्भ में उच्च प्रदर्शन प्रदान करता है । यह आंतरिक रूप से प्राकृतिक ऊतक की नरम प्रकृति से संबंधित है (उदाहरण के लिए, त्वचा या मांसपेशियों के ऊतकों के साथ एक युवा के मॉड्यूलस के साथ 104−109 पीए) जो मानक इंजीनियर एक्टुएटर (जैसे, एक युवा के मॉड्यूलर आमतौर पर 109−1012 पीए)6के बीच की तुलना में स्वतंत्रता और बेहतर विरूपण और अनुकूलनशीलता की उच्च डिग्री के लिए अनुमति देता है। कार्डियक मांसपेशी आधारित सॉफ्ट-एक्टुएटर, विशेष रूप से, यांत्रिक रूप से आधारित रोबोटिक सिस्टम7की तुलना में ऑटोरिपेयर और पुनर्जनन के लिए उनकी क्षमता के कारण बेहतर ऊर्जा दक्षता दिखाते हैं। हालांकि, नरम रोबोटों का निर्माण एक प्रणाली में विभिन्न भौतिक, जैविक और यांत्रिक गुणों के साथ विभिन्न घटकों को एकीकृत करने की आवश्यकता के कारण चुनौतीपूर्ण है। उदाहरण के लिए, इंजीनियर सिंथेटिक सिस्टम को जीवित जैविक प्रणालियों के साथ एकीकृत करने की आवश्यकता है, न केवल उन्हें संरचनात्मक समर्थन प्रदान करना बल्कि उनके एकता व्यवहार को प्रभावित और मॉड्यूल करना भी है। इसके अलावा, कई माइक्रोफैब्रिकेशन विधियों में कठोर/साइटोटॉक्सिक प्रक्रियाओं और रसायनों की आवश्यकता होती है जो किसी भी जीवित घटकों की व्यवहार्यता और कार्य को कम करते हैं । इसलिए, नरम रोबोटों की कार्यक्षमता को बढ़ाने और उनके व्यवहार को नियंत्रित करने और मिलाना करने के लिए नए दृष्टिकोण आवश्यक हैं।
अच्छी व्यवहार्यता के साथ जीवित घटकों को सफलतापूर्वक एकीकृत करने के लिए, एक हाइड्रोगेल-आधारित पाड़ एक नरम रोबोट के शरीर को बनाने के लिए एक उत्कृष्ट सामग्री है। एक हाइड्रोगेल के भौतिक और यांत्रिक गुणों को मांसपेशियों के ऊतकों8,9जैसे जीवित घटकों के लिए माइक्रोवातावरण बनाने के लिए आसानी से ट्यून किया जा सकता है। इसके अलावा, यह विभिन्न माइक्रोफैब्रिकेशन तकनीकों को आसानी से अपना सकता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च निष्ठा1,2,10के साथ पदानुक्रमित संरचनाओं का निर्माण होता है। बिजली की उत्तेजना के साथ अपने व्यवहार को नियंत्रित करने के लिए लचीला इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को नरम रोबोट में शामिल किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोजेनिक कोशिकाओं (जैसे, कार्डियोमायोसाइट्स) को इंजीनियर करने के लिए ऑप्टोजेनेटिक तकनीकों का उपयोग किया गया है, जो प्रकाश पर निर्भर इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल सक्रियण दिखाते हैं, का उपयोग एक पॉलीडिमिथाइलसिलिऑक्स्ना (पीडीएफ) विकसित करने के लिए किया गया है- प्रकाश द्वारा निर्देशित नरम रोबोटिक स्टिंग रे जो विट्रो2में मछली के अण्डलाक्षआंदोलन को फिर से बनाने में सक्षम था। यद्यपि ऑप्टोजेनेटिक तकनीकों ने उत्कृष्ट नियंत्रणता दिखाई है, प्रस्तुत किए गए कार्य विद्युत उत्तेजना, एक पारंपरिक और पारंपरिक सिमुलेशन विधि का उपयोग करता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि लचीला माइक्रोइलेक्ट्रोड के माध्यम से विद्युत उत्तेजना ऑप्टोजेनेटिक तकनीकों की तुलना में आसान और सरल है, जिसके लिए व्यापक विकास प्रक्रियाओं11की आवश्यकता होती है। लचीले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के उपयोग से दीर्घकालिक उत्तेजना और मानक/सरल निर्माण प्रक्रियाओं के साथ – साथ tunable बायोcompatibility और भौतिक और यांत्रिक गुण12,13के लिए अनुमति दे सकते हैं ।
यहां, हम एक बायोप्रेरित सॉफ्ट रोबोट बनाने के लिए एक अभिनव विधि पेश करते हैं, जो इंजीनियर कार्डियक मांसपेशियों के ऊतकों की धड़कन से प्रेरित होता है और एम्बेडेड फ्लेक्सिबल एयू माइक्रोइलेक्ट्रोड के माध्यम से विद्युत उत्तेजना द्वारा नियंत्रित होता है। नरम रोबोट स्टिंग रे की मांसपेशी और उपास्थि संरचना की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। स्टिंग रे एक जीव है जिसमें अन्य तैराकी प्रजातियों की तुलना में संरचना और आंदोलन की नकल करने में अपेक्षाकृत आसान है। मांसपेशियों को एक विद्युत रूप से चालक हाइड्रोगेल माइक्रोपैटर्न पर कार्डियोमाइओसाइट्स को सीडिंग करके विट्रो में निर्मित किया जाता है। जैसा कि पहले बताया गया था, जेल्मा हाइड्रोगेल में सीएनटी जैसे विद्युत रूप से चालक नैनोकणों को शामिल करना न केवल हृदय ऊतक के विद्युत युग्मन में सुधार करता है, बल्कि एक उत्कृष्ट इन विट्रो ऊतक वास्तुकला और व्यवस्था8,9को भी प्रेरित करता है। उपास्थि जोड़ों को यांत्रिक रूप से मजबूत पेगडा हाइड्रोजेल पैटर्न का उपयोग करके नकल की जाती है जो पूरी प्रणाली के यांत्रिक रूप से मजबूत सब्सट्रेट के रूप में कार्य करता है। एक टेढ़ा पैटर्न के साथ लचीला Au माइक्रोइलेक्ट्रोड स्थानीय रूप से और विद्युत रूप से हृदय ऊतक को प्रोत्साहित करने के लिए PEGDA पैटर्न में एम्बेडेड हैं।
इस विधि का उपयोग करते हुए, हम एक मल्टीलेयर संरचित पाड़ पर एक एकीकृत स्व-एक्ट्यूएटिंग कार्डियक ऊतक के साथ एक बैटॉइड मछली की तरह बायोप्रेरित सॉफ्ट रोबोट को सफलतापूर्वक निर्मित करने में सक्षम थे जो एम्बे…
The authors have nothing to disclose.
इस पेपर को नेशनल इंस्टीट्यूट्स ऑफ हेल्थ (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), ब्रिघम रिसर्च इंस्टीट्यूट स्टेपिंग स्ट्रॉन्ग इनोवेटर अवार्ड और एएचए इनोवेटिव प्रोजेक्ट अवार्ड (19IPLOI34660079) द्वारा वित्त पोषित किया गया था ।
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 |