Anonim Mikroelektrotlu Bioinspired Yumuşak Robot
Summary
Biyoilham iskelesi, mekanik olarak sağlam ve elektriksel iletken hidrojeller kullanılarak yumuşak bir fotolitografi tekniği ile imal edilir. Mikro desenli hidrojeller yönlü kardiyomiyosit hücre hizalama sağlar, aktüasyon özel bir yönde sonuçlanan. Esnek mikroelektrotlar da kendi kendini harekete geçiren bir kardiyak doku için elektrik kontrol edilebilirlik getirmek için iskele entegre edilmiştir.
Abstract
Mühendislik kas dokusu ve biyomalzemeler kullanarak canlı organizmaları taklit biyoilham yumuşak robotik sistemleri, özellikle biyomedikal araştırmalarda, mevcut biyorobotik paradigma devrim vardır. Yapay yaşam benzeri aktüasyon dinamiklerini yeniden yaratmak yumuşak robotik bir sistem için çok önemlidir. Ancak, aktüasyon davranışının hassas kontrolü ve atoması hala modern yumuşak robot sistemlerinin en önemli sorunlarından birini temsil etmektedir. Bu yöntem, mikro desenli bir iğne üzerinde kardiyak kas dokusunun kasılması ile aktive ve kontrol yaşam benzeri hareketleri ile elektrikle kontrol edilebilir yumuşak bir robot imal etmek için düşük maliyetli, yüksek ölçeklenebilir ve kullanımı kolay bir prosedür açıklar Ray benzeri hidrojel iskele. Yumuşak fotolitografi yöntemlerinin kullanılması, karbon nanotüpler (CNTs) gömülü jelatin metakril (CNT-GelMA) ile mikro desenli hidrojel bazlı iskeleler de dahil olmak üzere, yumuşak robotik sisteme birden fazla bileşenin başarılı bir şekilde entegre edilmesimümkün kılmaktadır. poli (etilen glikol) diacrylate (PEGDA), esnek altın (Au) mikroelektrotlar ve kardiyak kas dokusu. Özellikle, hydrogels hizalama ve mikro desen sting Ray kas ve kıkırdak yapısını taklit etmek için tasarlanmıştır. Elektriksel iletken CNT-GelMA hidrojel, kardiyomiyositlerin olgunlaşma ve daralma davranışını iyileştiren bir hücre iskelesi görevi görürken, mekanik olarak sağlam PEGDA hidrojeli tüm yumuşak robota yapısal kıkırdak benzeri destek sağlar. Metal bazlı mikroelektrotların sert ve kırılgan doğasını aşmak için, yüksek esnekliğe sahip ve kardiyomiyositlerin dayak dinamiklerini engellemeyi önleyebilen serpantin bir desen tasarladık. Dahil esnek Au mikroelektrotlar yumuşak robot genelinde elektriksel stimülasyon sağlamak, daha kolay kardiyak doku daralma davranışını kontrol etmek için yapım.
Introduction
Modern state-of-the-art yumuşak robotlar denizanası1gibi birçok canlı organizmaların hiyerarşik yapıları ve kas dinamikleri taklitedebilirsiniz,2, sting Ray2, ahtapot3, bakteri4, ve sperm5. Doğal sistemlerin dinamiklerini ve mimarisini taklit etmek hem enerjik hem de yapısal verimlilik açısından daha yüksek performans lar sunar6. Bu doğal dokunun yumuşak doğası ile doğal doğa ile ilgili (örneğin, 104-109 Pa arasında bir Young modülü ile deri veya kas dokusu) hangi özgürlük ve üstün deformasyon ve adaptasyon daha yüksek derecelerde sağlar standart mühendislik aktüatörler ile karşılaştırıldığında (örneğin, bir Genç modülü genellikle arasında 109−1012 Pa)6. Kardiyak kas tabanlı yumuşak aktüatörler, özellikle, mekanik tabanlı robotik sistem 7 ile karşılaştırıldığında kendi kendini harekete geçirerek yanı sıra otoonarım ve rejenerasyon için potansiyelleri nedeniyle üstün enerji verimliliği göstermek7. Ancak, yumuşak robotların imalatı, farklı fiziksel, biyolojik ve mekanik özelliklerle farklı bileşenlerin tek bir sisteme entegre edilmesi gereği nedeniyle zordur. Örneğin, tasarlanmış sentetik sistemlerin sadece yapısal destek sağlamakla kalmaması, aynı zamanda aktüasyon davranışlarını etkilemesi ve modüle etmesi yle birlikte, yaşayan biyolojik sistemlerle entegre edilmelidir. Buna ek olarak, birçok mikroüretim yöntemi, herhangi bir canlı bileşenin canlılığını ve işlevini azaltan sert/sitotoksik prosesler ve kimyasallar gerektirir. Bu nedenle, yumuşak robotların işlevselliğini geliştirmek ve davranışlarını kontrol etmek ve modüle etmek için yeni yaklaşımlar gereklidir.
İyi bir canlılık la yaşayan bileşenleri başarılı bir şekilde entegre etmek için, hidrojel bazlı iskele yumuşak bir robot un gövdesini oluşturmak için mükemmel bir malzemedir. Bir hidrojel fiziksel ve mekanik özellikleri kolayca kas dokuları gibi yaşayan bileşenler için mikroortamlar oluşturmak için ayarlanabilir8,9. Ayrıca, kolayca yüksek sadakat 1,2,10ile hiyerarşik yapılarınoluşturulması ile sonuçlanan, çeşitli mikroüretim teknikleri benimseyebilir. Esnek elektronik cihazlar, elektrikli stimülasyon ile davranışını kontrol etmek için yumuşak robot içine dahil edilebilir. Örneğin, Elektrojenik hücreleri (örneğin, kardiyomiyositler) oluşturmak için optogenetik teknikler, ışığa bağlı elektrofizyolojik aktivasyon gösteren, bir polidimethylsiloxane geliştirmek için kullanılmıştır (PDMS)-tabanlı yumuşak robotik sting ışını invitrobalık undulatory hareketini yeniden başardı 2 . Optogenetik teknikler mükemmel kontrol edilebilirlik göstermiş olsa da, sunulan çalışma geleneksel ve geleneksel bir simülasyon yöntemi olan elektriksel stimülasyon uyguluyor. Bunun nedeni, esnek mikroelektrotlar ile elektriksel stimülasyonun optogenetik tekniklere göre kolay ve basit olmasıdır, bu da kapsamlı gelişim süreçleri gerektiren11. Esnek elektronik cihazların kullanımı uzun vadeli stimülasyon ve standart / basit üretim süreçlerinin yanı sıra tasnif biyouyumluluk ve fiziksel ve mekanik özellikleri12,13için izin verebilir.
Burada, tasarlanmış kardiyak kas dokusunun dövülmesiyle harekete geçen ve gömülü esnek Au mikroelektrotlar aracılığıyla elektriksel uyarılma ile kontrol edilen, biyoilham lı yumuşak bir robot imal etmek için yenilikçi bir yöntem salıyoruz. Yumuşak robot, batma ışınının kas ve kıkırdak yapısını taklit etmek üzere tasarlanmıştır. Sting ışını, diğer yüzme türlerine göre yapısı ve hareketini taklit etmesi nispeten kolay olan bir organizmadır. Kaslar in vitro bir elektrikiletken hidrojel mikrodesen kardiyomiyosit tohumlama tarafından yeniden oluşturulur. Daha önce bildirildiği gibi, GelMA hidrojel CNT gibi elektriksel iletken nano tanecikleri birleştiren sadece kardiyak doku elektriksel kaplin geliştirir, ama aynı zamanda mükemmel bir in vitro doku mimarisi vedüzenlemeneden 8,9. Kıkırdak eklemleri daha sonra tüm sistemin mekanik olarak sağlam substratı gibi davranan mekanik olarak sağlam PEGDA hidrojel deseni kullanılarak taklit edilir. Serpantin desenli esnek Au mikroelektrotlar, kardiyak dokuyu lokal ve elektriksel olarak uyarmak için PEGDA desenine gömülür.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yöntemi kullanarak, gömülü Au mikroelektrotlar tarafından kontrol edilen çok katmanlı yapılandırılmış bir iskele üzerinde entegre kendi kendini harekete geçiren kardiyak doku ile batoid balık benzeri biyoesinlenen yumuşak bir robotu başarıyla üretebildik. PEGDA ve CNT-GelMA hidrojellerinden yapılmış iki farklı mikro desenli hidrojel katmanı sayesinde, biyoilham iskelesi iyi mekanik stabilite ve ideal hücre hizalaması ve olgunlaşması gösterdi. Bir sting ışınında iskelet mimarisinin kık…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu makale Ulusal Sağlık Enstitüleri (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), Brigham Araştırma Enstitüsü Stepping Strong Yenilikçi Ödülü ve AHA Yenilikçi Proje Ödülü (19IPLOI34660079) tarafından finanse edilmiştir.
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).
