Bioinspired لينة روبوت مع Microelectrodes المدمجة
Summary
يتم تصنيع سقالة مستوحاة من الحيوية بواسطة تقنية الطباعة الحجرية الضوئية الناعمة باستخدام هيدروجيلات ميكانيكية قوية وموصلة كهربائيا. توفر الهيدروجيلات المجهرية محاذاة خلايا القلب الخلايا الاتجاهية ، مما يؤدي إلى اتجاه مصمم خصيصًا للتنشيط. كما يتم دمج الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة في السقالة لجلب إمكانية التحكم الكهربائية لأنسجة القلب ذاتية التشغيل.
Abstract
الأنظمة الروبوتية الناعمة المستوحاة من الحيوية التي تحاكي الكائنات الحية باستخدام الأنسجة العضلية المهندسة والمواد الحيوية تحدث ثورة في النموذج الحالي للروبوتات الحيوية ، خاصة في البحوث الطبية الحيوية. إن إعادة إنشاء ديناميكيات تشغيل اصطناعية تشبه الحياة أمر بالغ الأهمية لنظام روبوتي ناعم. ومع ذلك ، فإن التحكم الدقيق وضبط سلوك المحرك لا يزال يمثل أحد التحديات الرئيسية للأنظمة الروبوتية الناعمة الحديثة. تصف هذه الطريقة إجراء منخفض التكلفة وقابل للتطوير للغاية وسهل الاستخدام لتصنيع روبوت ناعم يمكن التحكم فيه كهربائيًا بحركات تشبه الحياة يتم تنشيطها والتحكم فيها من خلال تقلص أنسجة عضلة القلب على لدغة دقيقة سقالة هيدروجيل تشبه الأشعة. استخدام الأساليب الفوتوليثوغرافية الناعمة يجعل من الممكن لدمج مكونات متعددة بنجاح في النظام الروبوتي لينة، بما في ذلك السقالات الهيدروجيل المصممة micropatterned مع الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) جزءا لا يتجزأ من ميثاكريليل الجيلاتين (CNT-GelMA)، بولي (جلايكول الإيثيلين) diacrylate (PEGDA)، والذهب المرن (Au) microelectrodes، والأنسجة العضلية القلبية. على وجه الخصوص ، تم تصميم محاذاة الهيدروجيلووووبلوميكرومليكل لتقليد بنية العضلات والغضاريف للشعاع اللاذع. يعمل هيدروجيل CNT-GelMA الموصل كهربائيًا بمثابة سقالة خلية تعمل على تحسين سلوك النضج والانكماش في خلايا القلب ، في حين يوفر HYDROGel PEGDA القوي ميكانيكيًا دعمًا هيكليًا يشبه الغضاريف للروبوت الناعم بأكمله. للتغلب على الطبيعة الصعبة والهشة للأقطاب الكهربائية الدقيقة القائمة على المعادن ، قمنا بتصميم نمط ثعبان يتمتع بمرونة عالية ويمكن أن يتجنب إعاقة ديناميكيات ضربات القلب. توفر الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة المدمجة في Au التحفيز الكهربائي عبر الروبوت الناعم ، مما يجعل من السهل التحكم في سلوك انكماش أنسجة القلب.
Introduction
الحديثة للدولة من بين الفن الروبوتات الناعمة يمكن أن تحاكي الهياكل الهرمية وديناميات العضلات من العديد من الكائنات الحية، مثل قنديل البحر1،2،لدغة راي2،الأخطبوط3،البكتيريا4،والحيوانات المنوية5. محاكاة ديناميات والعمارة من النظم الطبيعية يقدم أداء أعلى من حيث كل من الكفاءة النشطة والهيكلية6. ويرتبط هذا ارتباطاً جوهرياً بالطبيعة الناعمة للأنسجة الطبيعية (مثل الجلد أو الأنسجة العضلية مع معامل يونغ بين 104-109 باسكال) الذي يسمح بدرجات أعلى من الحرية والتشوه العالي والقدرة على التكيف بالمقارنة مع المنفعلين الهندسيين القياسيين (على سبيل المثال، معامل يونغ عادة بين 109-1012 باسكال)6. القلب العضلات القائمة على التعمل اللينة، وخاصة، تظهر كفاءة الطاقة متفوقة بسبب التشغيل الذاتي، فضلا عن إمكاناتها للإصلاح الذاتي والتجديد بالمقارنة مع نظام الروبوتية القائمة ميكانيكيا7. ومع ذلك ، فإن تصنيع الروبوتات الناعمة يمثل تحديًا بسبب ضرورة دمج مكونات مختلفة ذات خصائص فيزيائية وبيولوجية وميكانيكية مختلفة في نظام واحد. فعلى سبيل المثال، يلزم أن تتكامل النظم الاصطناعية المهندسة مع النظم البيولوجية الحية، لا أن توفر لها الدعم الهيكلي فحسب، بل أيضا التأثير على سلوكها المنفّز وتحويره. وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب العديد من أساليب التصنيع الدقيق عمليات قاسية/سامة للخلايا والمواد الكيميائية التي تقلل من جدوى ووظيفة أي مكونات حية. لذلك ، هناك طرق جديدة ضرورية لتعزيز وظائف الروبوتات الناعمة والتحكم في سلوكها وتحويره.
لدمج المكونات الحية بنجاح مع قابلية جيدة للحياة ، فإن السقالة القائمة على الهيدروجيل هي مادة ممتازة لإنشاء جسم روبوت ناعم. يمكن بسهولة ضبط الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لـ hydrogel لإنشاء بيئات دقيقة للمكونات الحية مثل أنسجة العضلات8و9. أيضا، فإنه يمكن بسهولة اعتماد تقنيات microfabrication المختلفة، مما أدى إلى إنشاء هياكل هرمية مع دقة عالية1،2،10. يمكن دمج الأجهزة الإلكترونية المرنة في الروبوت الناعم للتحكم في سلوكه مع التحفيز الكهربائي. على سبيل المثال ، تم استخدام تقنيات البولوجيل لهندسة الخلايا الكهروجينية (على سبيل المثال ، خلايا القلب ) ، والتي تظهر تنشيطًا إلوفيزيولوجيًا يعتمد على الضوء ، لتطوير شعاع اللدغة اللين ة اللين القائم على polydimethylsiloxan (PDMS) الموجه بالضوء الذي كان قادرًا على إعادة الحركة اللادسيدية للأسماك في المختبر2. على الرغم من أن التقنيات البوجينية أظهرت إمكانية تحكم ممتازة ، فإن العمل المعروض يستخدم التحفيز الكهربائي ، وهو أسلوب محاكاة تقليدي وتقليدي. وذلك لأن التحفيز الكهربائي عبر الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة سهل وبسيط مقارنة بالتقنيات الراجعة الجينية ، والتي تتطلب عمليات تطوير واسعة النطاق11. استخدام الأجهزة الإلكترونية المرنة يمكن أن تسمح لتحفيز على المدى الطويل وعمليات التصنيع القياسية / البسيطة، فضلا عن التوافق الحيوي غير قابل للعجز والخصائص الفيزيائية والميكانيكية12،13.
هنا ، نقدم طريقة مبتكرة لتصنيع روبوت ناعم مستوحى من الحيوية ، يعمل بضرب أنسجة عضلة القلب المهندسة ويتم التحكم فيه عن طريق التحفيز الكهربائي من خلال أقطاب Au الدقيقة المرنة المضمنة. تم تصميم الروبوت لينة لتقليد العضلات والغضاريف هيكل الشعاع اللاذع. الشعاع اللاذع هو كائن حي مع هيكل سهل نسبيا لتقليد والحركة بالمقارنة مع أنواع السباحة الأخرى. يتم إعادة إنشاء العضلات في المختبر عن طريق زرع خلايا القلب على ميكروجيل موصل كهربائيا. كما ذكر سابقا، ودمج الجسيمات النانوية موصل كهربائيا مثل CNT في هيدروجيل GelMA ليس فقط يحسن اقتران الكهربائية من الأنسجة القلبية، ولكن أيضا يحفز ممتازة في هندسة الأنسجة المختبرية والترتيب8،9. ثم يتم محاكاة مفاصل الغضاريف باستخدام نمط هيدروجيل PEGDA قوي ميكانيكياً يعمل كركيزة قوية ميكانيكياً للنظام بأكمله. يتم تضمين الأقطاب الميكروكهربائية Au المرنة ذات النمط الثعباني في نمط PEGDA لتحفيز أنسجة القلب محليًا وكهربائيًا.
Protocol
Representative Results
Discussion
باستخدام هذه الطريقة ، تمكنا من تصنيع بنجاح روبوت لينة تشبه السمك الخفافيش مع نسيج قلبي متكامل ذاتي التشغيل على سقالة منظمة متعددة الطبقات يتم التحكم فيها بواسطة أقطاب الاتحاد الافريقي الدقيقة المضمنة. نظرًا لطبقتين هيدروجيل مُنميتين صغيرتين مصنوعتين من البُيْدِد وCNT-GelMA، أظهرت السقالة …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذه الورقة من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R01AR074234، R21EB026824، R01 AR073822-01)، معهد أبحاث بريغهام يخطو جائزة مبتكرة قوية، وجائزة مشروع AHA المبتكر (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 |
References
- 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).
