Atuador baseado em células musculares cardíacas e Biorobot auto estabilizante - PARTE 1
Summary
Neste estudo de duas partes, um atuador biológico foi desenvolvido usando cantilevers de polidimetilsiloxano altamente flexíveis (PDMS) e células musculares vivas (cardiomiócitos) e caracterizados. O atuador biológico foi incorporado com uma base feita de materiais PDMS modificados para construir um biorobot de auto-estabilização e natação.
Abstract
As máquinas biológicas, muitas vezes referidas como biorobots, são dispositivos vivos de células ou de tecido que são alimentados unicamente pela atividade contrátil de componentes vivos. Devido às suas vantagens inerentes, os biorobots estão ganhando interesse como alternativas aos robôs tradicionais totalmente artificiais. Vários estudos se concentraram no aproveitamento do poder dos atuadores biológicos, mas apenas estudos recentemente caracterizaram quantitativamente o desempenho de biorobots e estudaram sua geometria para melhorar a funcionalidade e a eficiência. Aqui, demonstramos o desenvolvimento de um biorobot de natação auto-estabilizador que pode manter seu tom, profundidade e rolo sem intervenção externa. O projeto e fabricação do andaime PDMS para o atuador biológico e biorobot seguido pela funcionalização com fibronectina é descrito nesta primeira parte. Na segunda parte deste artigo em duas partes, detalhamos a incorporação de cardiomiócitos e caracterizamos a actualização biológica.Função ator e biorobot. Ambos incorporam uma base e uma cauda (cantilever) que produzem propulsão baseada em aletas. A cauda é construída com técnicas de litografia suave usando PDMS e gravura a laser. Depois de incorporar a cauda com a base do dispositivo, é funcionalizada com uma proteína adesiva celular e semeada confluentemente com cardiomiócitos. A base do atuador biológico consiste em um bloco sólido de PDMS com um grânulo de vidro central (atua como um peso). A base do biorobot consiste em dois materiais PDMS compostos, Ni-PDMS e microballoon-PDMS (MB-PDMS). O pó de níquel (em Ni-PDMS) permite o controle magnético do biorobot durante a semeadura e estabilidade das células durante a locomoção. Microballoons (em MB-PDMS) diminuem a densidade de MB-PDMS, e permitem que o biorobot flutue e dê um salto constante. O uso desses dois materiais com diferentes densidades de massa permitiu um controle preciso sobre a distribuição do peso para garantir uma força de restauração positiva em qualquer ângulo do biorobot. Esta técnicaProduz um biorobot de natação auto-estabilizável controlado magneticamente.
Introduction
Atuadores biológicos e biorobots estão sendo ativamente estudados para fornecer uma alternativa à robótica convencional para inúmeras aplicações. Biorobots que caminham 5 , 6 , 7 , 8 , nadam 1 , 2 , 3 , 4 , bomba 9 , 10 ou aderência 11 , 12 , 13 Já foram desenvolvidos. Do mesmo modo, as células musculares podem ser incorporadas em uma estrutura 3D PDMS rolada 14 . Muitas vezes, os backbones de biorobot são fabricados usando técnicas de litografia suave com materiais como hidrogéis e PDMS (polidimetilsiloxano). Estas são escolhas atraentes devido à sua flexibilidade, biocompatibilidadeE rigidez facilmente ajustável. As células musculares vivas geralmente são incorporadas com esses materiais para fornecer geração de força através da contração. As células do músculo cardíaco de mamífero (cardiomiócitos) e as células musculares esqueléticas têm sido usadas predominantemente para atuação. Além desses dois, os tecidos musculares de insetos foram usados para operar biorobots à temperatura ambiente 3 . Neste estudo de duas partes, cardiomiócitos foram escolhidos por causa de sua contração espontânea 6 .
Grande parte das pesquisas anteriores sobre biorobots foi focada no desenvolvimento dos atuadores biológicos, enquanto a otimização da arquitetura biorobot e o desenvolvimento de funcionalidades essenciais para os biorobots foram largamente negligenciados. Recentemente, alguns relatórios demonstraram a implementação de diferentes modos de natação inspirados nos modos de propulsão encontrados na natureza. Esses métodos incorporam filmes PDMS e células musculares para imitar vários métodos de propulsão natural. Por exemplo, a propulsão à base de flagelos 1 , a propulsão de medusa biomimética 2 , o raio bio-híbrido 4 e os dispositivos de natação PDMS de película fina 13 foram relatados.
Neste artigo, apresentamos o processo de fabricação de biorobots de natação auto-estabilizáveis que podem manter a profundidade de imersão, bem como o passo e o rolo. O biorobot tem uma base ou corpo sólido, que é impulsionado por um único cantilever com cardiomiócitos anexados à sua superfície. Os cardiomiócitos fazem com que o cantilever se dobre em direção longitudinal quando se contraem. Esta forma de natação é classificada como natação ostraciiforme. A capacidade de adicionar funcionalidades adicionais na base é uma vantagem única da natação ostraciiforme. Por exemplo, a base pode ser utilizada para fornecer o excesso de flutuabilidade para transportar cargas adicionais ou circuitos de controle para a contração de cardiomiócitos.
EstabilidadeDo biorobot foi muitas vezes ignorado em estudos anteriores de biorobots. Neste estudo, implementamos a auto-estabilização ao projetar a base com diferentes materiais PDMS compostos de diferentes densidades de massa. O biorobot exibe assim resistência a distúrbios externos e mantém a sua profundidade de submersão, pitch e roll, sem ajuda. A primeira camada é o PDMS microballoon (MB-PDMS), ou seja , o PDMS misturado com microballons, o que diminui a densidade do biorobot, permitindo que flutue na mídia. A segunda camada é a cantilever do PDMS, e sua espessura é adaptada de tal forma que a força gerada pelos cardiomiócitos pode dobrar drasticamente o cantilever de 45 ° a 90 °. A camada inferior é nickel-PDMS (Ni-PDMS), ou seja , PDMS misturado com pó de níquel. Esta camada executa várias funções. É magnético e, portanto, permite que o biorobot seja ancorado no fundo do meio, durante a semeadura celular, com um ímã. A mistura de níquel é de maior densidade do que o MB-PDMS eMédio, e assegure uma posição vertical do biorobot enquanto flutua. O peso desta camada gera um torque de restauração no biorobot em qualquer passo e rolo. Além disso, a relação de volume entre o Ni-PDMS e o MB-PDMS mantém a profundidade de submersão. Os protocolos apresentados seriam altamente úteis para pesquisadores interessados em caracterizar a força de batimento de células musculares e tecidos, bem como aqueles que desejam construir biorobots de natação.
A semeadura do atuador biológico funcionalizado e dos dispositivos biorobot, a caracterização mecânica e bioquímica das células e a análise quantitativa da função do dispositivo são descritas em detalhes na Parte 2 deste artigo de duas partes, bem como no trabalho recente 15 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Vários mecanismos de locomoção podem ser encontrados entre nadadores aquáticos 16 . O mecanismo de locomoção do biorobot neste estudo usa locomoção baseada em aletas, especificamente locomoção ostraciiforme. Os nadadores Ostraciiform propulsam-se meneando uma cauda (cantilever) e tendo um corpo rígido (base em camadas) 16 . Os peixes, como o peixe e o peixe-gato, usam esse tipo de locomoção. Os nadadores Ostraciiform são tipicamente lentos e têm dimensões c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT Holley é apoiado pelo programa Graduate Fellows do Louisiana Board of Regents e C. Danielson é apoiado pelo Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Este estudo é apoiado por NSF Grant No: 1530884. Os autores agradecem o suporte da sala limpa no Centro de Microsistemas e Dispositivos Avançados (CAMD).
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 |
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