통합 된 마이크로 전극을 가진 바이오 영감 소프트 로봇
Summary
생체 영감 스캐폴드는 기계적으로 견고하고 전기 전도성 하이드로겔을 사용하여 부드러운 포토리소그래피 기술로 제작됩니다. 마이크로 패턴 하이드로겔은 방향성 심근세포 정렬을 제공하여 맞춤형 작동 방향을 제공합니다. 유연한 마이크로 전극은 또한 자체 작동 심장 조직에 대한 전기 제어 성을 가지고 스캐폴드에 통합되어 있습니다.
Abstract
엔지니어링 된 근육 조직 및 생체 재료를 사용하여 살아있는 생물을 모방하는 바이오 영감 연질 로봇 시스템은 특히 생물 의학 연구에서 현재의 생물 로봇 패러다임에 혁명을 일으키고 있습니다. 소프트 로봇 시스템에는 인공 생명체와 같은 작동 역학을 재현하는 것이 매우 중요합니다. 그러나 작동 동작의 정밀한 제어 및 튜닝은 여전히 현대 소프트 로봇 시스템의 주요 과제 중 하나입니다. 이 방법은 미세 패턴 스팅에서 심장 근육 조직의 수축에 의해 활성화되고 제어되는 실물 같은 움직임으로 전기적으로 제어 가능한 소프트 로봇을 제작하기 위해 저비용, 확장성 및 사용하기 쉬운 절차를 설명합니다. 광선 같은 하이드로 겔 비계. 소프트 포토리소그래피 방법을 사용하면 마이크로 패턴 하이드로겔 기반 스캐폴드와 탄소 나노튜브(CNT) 내장 젤라틴 메타크릴로일(CNT-GelMA)을 포함한 연질 로봇 시스템의 여러 구성 요소를 성공적으로 통합할 수 있습니다. 폴리 (에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (PEGDA), 유연한 금 (Au) 미세 전극, 심장 근육 조직. 특히, 하이드로겔 정렬 및 마이크로패턴은 가오리의 근육 및 연골 구조를 모방하도록 설계된다. 전기 전도성 CNT-GelMA 하이드로겔은 심근세포의 성숙과 수축 거동을 개선하는 세포 스캐폴드 역할을 하며, 기계적으로 견고한 PEGDA 하이드로겔은 전체 소프트 로봇에 구조적 연골과 같은 지원을 제공합니다. 금속 기반 미세 전극의 단단하고 부서지기 쉬운 특성을 극복하기 위해 유연성이 높고 심근 세포의 박동 역학을 방해하지 않도록 할 수있는 뱀 패턴을 설계했습니다. 통합된 유연한 Au 마이크로 전극은 소프트 로봇 전반에 걸쳐 전기 자극을 제공하여 심장 조직의 수축 거동을 보다 쉽게 제어할 수 있습니다.
Introduction
현대의 최첨단 소프트 로봇은 해파리1,2,가오리2,문어3,박테리아4,정자5와같은 많은 생물의 계층 구조와 근육 역학을 모방 할 수 있습니다. 자연 시스템의 역학과 아키텍처를 모방하는 것은 에너지 및 구조 효율성 모두의 측면에서 더 높은 성능을 제공합니다6. 이것은 본질적으로 자연 조직의 부드러운 특성과 관련이 있습니다 (예를 들어, 10 4-109 Pa 사이의영의 계수를 가진 피부 또는 근육 조직) 표준 엔지니어링 액추에이터 (예 : 영의 계수는 보통 109-1012 Pa6)와비교할 때 더 높은 자유도와 우수한 변형 및 적응성을 허용합니다. 심장 근육 기반 의 소프트 액추에이터, 특히, 기계적 기반 로봇 시스템7에비해 자기 작동뿐만 아니라 자동 수리 및 재생에 대한 잠재력으로 인해 우수한 에너지 효율을 보여줍니다. 그러나 소프트 로봇의 제작은 서로 다른 물리적, 생물학적, 기계적 특성을 하나의 시스템에 통합해야 하기 때문에 까다롭습니다. 예를 들어, 엔지니어링 된 합성 시스템은 살아있는 생물학적 시스템과 통합되어야하며 구조적 지원을 제공 할뿐만 아니라 작동 동작에 영향을 미치고 변조해야합니다. 또한, 많은 미세 제조 방법은 살아있는 구성 요소의 생존력과 기능을 감소시키는 가혹한 / 세포 독성 공정 및 화학 물질을 필요로합니다. 따라서 소프트 로봇의 기능을 향상시키고 동작을 제어하고 조절하기 위해 새로운 접근 방식이 필요합니다.
살아있는 부품을 우수한 생존 가능성과 성공적으로 통합하기 위해 하이드로겔 기반 스캐폴드는 부드러운 로봇의 몸을 만드는 훌륭한 재료입니다. 하이드로겔의 물리적 및 기계적 특성은 쉽게 근육 조직8,9와같은 살아있는 구성 요소에 대한 미세 환경을 만들기 위해 조정할 수 있습니다. 또한 다양한 미세 제작 기술을 쉽게 채택 할 수 있어 고충실도1,2,10으로계층 구조가 생성됩니다. 유연한 전자 장치를 소프트 로봇에 통합하여 전기 자극으로 동작을 제어할 수 있습니다. 예를 들어, 광의존적 전기생리적 활성화를 나타내는 전기발생세포(예를 들어, 심근세포)를 설계하는 광유전학 기술은, 생체외2에서물고기의 비굴란 운동을 재현할 수 있었던 빛에 의해 유도된 다각형 실실록산(PDMS) 기반의 연질 로봇 찌르기 광선을 개발하는데 사용되어 왔다. 광유전학 적 기술은 우수한 제어성을 보여 주었지만, 제시 된 작업은 전기 자극, 기존의 전통적인 시뮬레이션 방법을 사용합니다. 이는 유연한 미세전극을 통한 전기 자극이 광유전학적 기술에 비해 쉽고 간단하기 때문에, 이는 광범위한 개발 과정이11이다. 유연한 전자 장치의 사용은 장기 자극 및 표준 / 간단한 제조 공정뿐만 아니라 조정 가능한 생체 적합성 및 물리적 및 기계적 특성12,13을허용 할 수 있습니다.
여기에서는 엔지니어링된 심장 근육 조직의 박동에 의해 작동되고 임베디드 유연한 Au 마이크로 전극을 통해 전기 자극에 의해 제어되는 생체 영감 연질 로봇을 제작하는 혁신적인 방법을 제시합니다. 소프트 로봇은 가오리의 근육과 연골 구조를 모방하도록 설계되었습니다. 가오리는 다른 수영 종에 비해 구조와 움직임을 모방하기가 비교적 쉬운 유기체입니다. 근육은 전기 전도성 하이드로겔 마이크로 패턴에 심근 구균을 시드하여 시험관 내에서 재현됩니다. 이전에 보고된 바와 같이, GelMA 하이드로겔에 CNT와 같은 전기전도성 나노입자를 통합하면 심장 조직의 전기적 결합을 향상시킬 뿐만 아니라 시험관내 조직 구조 및 배열도 우수한유도8,9. 연골 관절은 전체 시스템의 기계적으로 견고한 기판 역할을 기계적으로 강력한 PEGDA 하이드로 겔 패턴을 사용하여 모방된다. 서펜타인 패턴을 가진 유연한 Au 마이크로 전극은 PEGDA 패턴에 내장되어 심장 조직을 국소적으로 및 전기적으로 자극한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 방법을 사용하여, 우리는 성공적으로 내장 Au 마이크로 전극에 의해 제어되는 다층 구조의 스캐폴드에 통합 자기 작동 심장 조직과 바티드 물고기 와 같은 바이오 영감 소프트 로봇을 제조 할 수 있었다. PEGDA와 CNT-GelMA 하이드로겔로 만들어진 두 개의 뚜렷한 마이크로 패턴 하이드로겔 층으로 인해, 바이오영감 스캐폴드는 좋은 기계적 안정성과 이상적인 세포 정렬 및 성숙을 보였다. PEGDA 패턴 ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 논문은 국립 보건원 (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), 브리검 연구소 스테핑 강력한 혁신상 및 AHA 혁신 프로젝트 상 (19IPLOI34660079)에 의해 지원되었다.
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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