Bioinspirierter Softroboter mit integrierten Mikroelektroden
Summary
Ein bioinspiriertes Gerüst wird durch eine weiche Photolithographie-Technik mit mechanisch robusten und elektrisch leitfähigen Hydrogelen hergestellt. Die mikrogemusterten Hydrogele bieten eine richtungsweisende Kardiomyozytenzellausrichtung, was zu einer maßgeschneiderten Betätigungsrichtung führt. Flexible Mikroelektroden sind auch in das Gerüst integriert, um elektrische Steuerbarkeit für ein selbstwirkendes Herzgewebe zu gewährleisten.
Abstract
Bioinspirierte weiche Robotersysteme, die lebende Organismen mit technischem Muskelgewebe und Biomaterialien imitieren, revolutionieren das aktuelle Biorobotik-Paradigma, insbesondere in der biomedizinischen Forschung. Die Wiederherstellung künstlicher lebensähnlicher Betätigungsdynamik ist entscheidend für ein Soft-Roboter-System. Die präzise Steuerung und Abstimmung des Betätigungsverhaltens stellt jedoch nach wie vor eine der größten Herausforderungen moderner Softrobotersysteme dar. Diese Methode beschreibt ein kostengünstiges, hochskalierbares und einfach zu bedienendes Verfahren zur Herstellung eines elektrisch steuerbaren weichen Roboters mit lebensähnlichen Bewegungen, der durch die Kontraktion von Herzmuskelgewebe auf einem mikromusterten Stachel aktiviert und gesteuert wird. strahlartiges Hydrogelgerüst. Der Einsatz weicher Photolithographie-Methoden ermöglicht die erfolgreiche Integration mehrerer Komponenten in das WeicheRobotersystem, einschließlich mikrogemusterter hydrogelbasierter Gerüste mit Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) eingebettetem Gelatinemethacryloyl (CNT-GelMA), Poly(Ethylenglykol) Diakrylat (PEGDA), flexible Gold (Au) Mikroelektroden und Herzmuskelgewebe. Insbesondere die Hydrogelausrichtung und das Mikromuster sind so konzipiert, dass sie die Muskel- und Knorpelstruktur des Stachelrochens imitieren. Das elektrisch leitfähige CNT-GelMA Hydrogel fungiert als Zellgerüst, das das Reifungs- und Kontraktionsverhalten von Kardiomyozyten verbessert, während das mechanisch robuste PEGDA Hydrogel den gesamten weichen Roboter strukturell knorpelartig unterstützt. Um die harte und spröde Natur von metallbasierten Mikroelektroden zu überwinden, haben wir ein Serpentinmuster entwickelt, das eine hohe Flexibilität hat und die Schlagdynamik von Kardiomyozyten nicht behindern kann. Die integrierten flexiblen Au-Mikroelektroden bieten elektrische Stimulation über den weichen Roboter, was es einfacher macht, das Kontraktionsverhalten von Herzgewebe zu kontrollieren.
Introduction
Moderne, hochmoderne Softroboter können die hierarchischen Strukturen und Die Muskeldynamik vieler lebender Organismen nachahmen, wie die Quallen1,2, Stachelrochen2, Oktopus3, Bakterien4und Sperma5. Die Nachahmung der Dynamik und Architektur natürlicher Systeme bietet höhere Leistungen sowohl in Bezug auf energetische als auch strukturelle Effizienz6. Dies hängt intrinsisch mit der weichen Natur des natürlichen Gewebes zusammen (z. B. Haut- oder Muskelgewebe mit einem Young-Modul zwischen 104x 109 Pa), was höhere Freiheitsgrade und überlegene Verformung und Anpassungsfähigkeit im Vergleich zu Standard-Aktoren (z.B. ein Young-Modul in der Regel zwischen 109x10 12 Pa)6ermöglicht. Vor allem herzmuskelbasierte Soft-Aktoren zeigen durch ihre Selbstbetätigung sowie ihr Potenzial für Autoreparatur und Regeneration im Vergleich zu einem mechanisch basierten Robotersystem7eine überragende Energieeffizienz. Die Herstellung weicher Roboter ist jedoch eine Herausforderung, da verschiedene Komponenten mit unterschiedlichen physikalischen, biologischen und mechanischen Eigenschaften in ein System integriert werden müssen. So müssen beispielsweise technische synthetische Systeme in lebende biologische Systeme integriert werden, die ihnen nicht nur strukturelle Unterstützung bieten, sondern auch ihr Betätigungsverhalten beeinflussen und modulieren. Darüber hinaus erfordern viele Mikrofabrikationsmethoden harte/zytotoxische Prozesse und Chemikalien, die die Lebensfähigkeit und Funktion lebender Komponenten verringern. Daher sind neue Ansätze notwendig, um die Funktionalität der Softroboter zu verbessern und ihr Verhalten zu steuern und zu modulieren.
Um lebende Bauteile mit guter Lebensfähigkeit erfolgreich zu integrieren, ist ein Hydrogel-basiertes Gerüst ein hervorragendes Material, um den Körper eines weichen Roboters zu schaffen. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften eines Hydrogels können leicht auf Mikroumgebungen für lebende Komponenten wie Muskelgewebe8,9abgestimmt werden. Auch kann es leicht verschiedene Mikrofabrikationstechniken übernehmen, was zur Schaffung hierarchischer Strukturen mit hoher Genauigkeit1,2,10führt. Flexible elektronische Geräte können in den weichen Roboter integriert werden, um sein Verhalten mit elektrischer Stimulation zu steuern. Zum Beispiel wurden optogenetische Techniken zur Entwicklung elektrogener Zellen (z. B. Kardiomyozyten), die eine lichtabhängige elektrophysiologische Aktivierung zeigen, verwendet, um einen Polydimethylsiloxan (PDMS)-basierten weichen Roboterstichrochen zu entwickeln, der von Licht geleitet wird, der in der Lage war, die undulatorische Bewegung der Fische in vitro2nachzubilden. Obwohl optogenetische Techniken eine ausgezeichnete Kontrollierbarkeit gezeigt haben, verwendet die vorgestellte Arbeit elektrische Stimulation, eine konventionelle und traditionelle Simulationsmethode. Denn die elektrische Stimulation über flexible Mikroelektroden ist im Vergleich zu optogenetischen Techniken, die umfangreicheEntwicklungsprozesseerfordern, einfach und einfach. Der Einsatz flexibler elektronischer Geräte ermöglicht eine langfristige Stimulation und Standard-/einfache Fertigungsprozesse sowie abstimmbare Biokompatibilität und physikalische und mechanische Eigenschaften12,13.
Hier präsentieren wir eine innovative Methode zur Herstellung eines bioinspirierten Weichenroboters, der durch das Schlagen von technischem Herzmuskelgewebe betätigt und durch elektrische Stimulation durch eingebettete flexible Au-Mikroelektroden gesteuert wird. Der weiche Roboter wurde entwickelt, um die Muskel- und Knorpelstruktur des Stachelrochens nachzuahmen. Der Stachelrochen ist ein Organismus mit einer relativ leicht zu imitierenden Struktur und Bewegung im Vergleich zu anderen Schwimmarten. Die Muskeln werden in vitro durch Aussaat von Kardiomyozyten auf einem elektrisch leitfähigen Hydrogel-Mikromuster nachgebildet. Wie bereits berichtet, verbessert die Integration elektrisch leitfähiger Nanopartikel wie CNT im GelMA Hydrogel nicht nur die elektrische Kopplung des Herzgewebes, sondern induziert auch eine hervorragende In-vitro-Gewebearchitektur und -anordnung8,9. Die Knorpelverbindungen werden dann mit einem mechanisch robusten PEGDA Hydrogelmuster nachgeahmt, das als mechanisch robustes Substrat des gesamten Systems fungiert. Flexible Au-Mikroelektroden mit Serpentinmuster sind in das PEGDA-Muster eingebettet, um das Herzgewebe lokal und elektrisch zu stimulieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mit dieser Methode konnten wir erfolgreich einen batoiden fischähnlichen bioinspirierten Weichenroboter mit integriertem selbstwirkendem Herzgewebe auf einem mehrschichtigen strukturierten Gerüst herstellen, das von eingebetteten Au-Mikroelektroden gesteuert wird. Durch zwei unterschiedliche mikrogemusterte Hydrogelschichten aus PEGDA- und CNT-GelMA-Hydrogelen zeigte das bioinspirierte Gerüst eine gute mechanische Stabilität und ideale Zellausrichtung und Reifung. Die PEGDA-Musterschicht, die als Knorpelgelenk der Sk…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieses Papier wurde von den National Institutes of Health (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), dem Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award und dem AHA Innovative Project Award (19IPLOI34660079) finanziert.
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).
