生物灵感软机器人与合并微电极
Summary
生物启发的脚手架由软光刻技术使用机械坚固和导电水凝胶制成。微型水凝胶提供定向心肌细胞对齐，从而形成量身定制的驱动方向。柔性微电极还集成到支架中，为自驱动心脏组织提供电气可控性。
Abstract
使用工程肌肉组织和生物材料模仿生物的生物机器人的生物灵感软机器人系统正在彻底改变当前的生物机器人模式，特别是在生物医学研究中。重建人工生命般的驱动动力学对于软机器人系统至关重要。然而，对驱动行为的精确控制和调谐仍然是现代软机器人系统的主要挑战之一。此方法描述了一种低成本、高度可扩展且易于使用的程序，用于制造具有栩栩如生的运动、通过微模式刺痛的心肌组织收缩激活和控制的电动可控制软机器人射线状水凝胶支架。使用软光刻方法，可以成功地将多个组件集成到软机器人系统中，包括微型水凝胶基支架与碳纳米管 （CNT） 嵌入式明胶甲酰胺 （CNT-GelMA），聚（乙二醇）二甲酸酯（PEGDA）、柔性金（Au）微电极和心肌组织。特别是，水凝胶对齐和微模式设计模仿刺痛射线的肌肉和软骨结构。导电的CNT-GelMA水凝胶作为细胞支架，改善心肌细胞的成熟和收缩行为，而机械坚固的PEGDA水凝胶为整个软机器人提供结构软骨样的支持。为了克服金属基微电极的坚硬和脆性，我们设计了一种具有高灵活性的蛇形图案，可以避免阻碍心肌细胞的跳动动力学。结合的柔性Au微电极为软机器人提供电刺激，使控制心脏组织的收缩行为更加容易。
Introduction
现代最先进的软机器人可以模仿许多生物的层次结构和肌肉动力学，如水母1，2，刺射线2，章鱼3，细菌4和精子5。模拟自然系统的动力学和结构，在能量和结构效率方面提供更高的性能6。这与自然组织的柔软性（例如，皮肤或肌肉组织与杨的模量在104×109 Pa之间）的内在相关，与标准工程执行器相比，这允许更高的自由度和优越的变形和适应性（例如，Young 的模量通常在 109+ 1012 Pa 之间）6。心脏肌肉为基础的软执行器，特别是，表现出卓越的能源效率，由于其自我驱动，以及他们的自动修复和再生的潜力相比，机械为基础的机器人系统7。然而，软机器人的制造具有挑战性，因为需要将具有不同物理、生物和机械特性的不同组件集成到一个系统中。例如，工程合成系统需要与活生物系统集成，不仅为他们提供结构支持，而且影响和调节其驱动行为。此外，许多微加工方法需要苛刻/细胞毒性工艺和化学品，这些工艺和化学品会降低任何活部件的生存能力和功能。因此，有必要采用新的方法来增强软机器人的功能，并控制和调节它们的行为。
为了成功地将活部件与良好的生存能力集成，水凝胶基架是创建软机器人机身的极好材料。水凝胶的物理和机械特性可以很容易地调整，为生物成分，如肌肉组织8，9创建微环境。此外，它可以很容易地采用各种微加工技术，从而创建具有高保真度1、2、10的分层结构。柔性电子设备可以融入软机器人，通过电刺激控制其行为。例如，利用光技术设计电原细胞（例如心肌细胞），这种细胞具有光依赖性电生理活化，已用于开发一种基于二甲基硅氧烷（PDMS）的软机器人刺射线，该射线在光线引导下能够重现鱼在体外2的不可调节运动。虽然光遗传学技术表现出了优异的可控性，但所展示的工作采用电刺激，这是一种传统的、传统的模拟方法。这是因为通过柔性微电极进行电刺激与光遗传学技术相比是简单易行的，光遗传学技术需要大量的开发过程11。使用柔性电子设备可以允许长期刺激和标准/简单的制造过程，以及可调的生物相容性和物理和机械特性12，13。
在这里，我们提出了一种创新的方法，以制造生物灵感的软机器人，通过跳动工程心肌组织来驱动，并通过嵌入式柔性Au微电极通过电刺激控制。软机器人设计模仿刺射线的肌肉和软骨结构。与其他游泳物种相比，刺射线是一种相对容易模仿结构和运动的有机体。通过在导电水凝胶微模式上播种心肌细胞，在体外重建肌肉。如前所述，在GelMA水凝胶中加入CNT等导电纳米颗粒不仅改善了心脏组织的电耦合，而且诱导了优良的体外组织架构和排列8、9。然后，使用机械坚固的 PEGDA 水凝胶模式模拟软骨接头，该模式充当整个系统的机械坚固基板。具有蛇形图案的柔性 Au 微电极嵌入 PEGDA 模式，以局部和电刺激心脏组织。
Protocol
Representative Results
Discussion
使用这种方法，我们能够成功地制造出一个类似巴比的鱼类生物启发软机器人，在多层结构支架上集成了自激活的心脏组织，由嵌入式Au微电极控制。由于由PEGDA和CNT_GelMA水凝胶制成的两种截然不同的微模式水凝胶层，生物激发的脚手架表现出良好的机械稳定性和理想的细胞对齐和成熟。PEGDA图案层作为骨骼结构在刺射线中的软骨关节，为整个机器人身体提供机械支撑。具体来说，它在心脏组织收?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本文由美国国家卫生研究院（R01AR074234、R21EB026824、R01 AR073822-01）、布里格姆研究所步进强者奖和AHA创新项目奖（19IPLOI34660079）资助。
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 |
Referências
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