Herzmuskelzellbasierter Aktuator und selbststabilisierender Biorobot - TEIL 1
Summary
In dieser zweiteiligen Studie wurde ein biologischer Aktuator mit hochflexiblen Polydimethylsiloxan (PDMS) Cantilever und lebenden Muskelzellen (Kardiomyozyten) entwickelt und charakterisiert. Der biologische Aktuator wurde mit einer Basis aus modifizierten PDMS-Materialien eingebaut, um einen selbststabilisierenden, schwimmenden Biorobot aufzubauen.
Abstract
Biologische Maschinen, die oft als Biorobots bezeichnet werden, sind lebende Zellen- oder Gewebe-basierte Geräte, die ausschließlich durch die kontraktile Aktivität lebender Komponenten angetrieben werden. Aufgrund ihrer inhärenten Vorteile erfreuen sich Biorobots als Alternativen zu traditionellen, vollständig künstlichen Robotern. Verschiedene Studien haben sich darauf konzentriert, die Kraft biologischer Aktoren zu nutzen, aber erst vor kurzem haben die Studien die Leistung von Bioroboten quantitativ charakterisiert und ihre Geometrie untersucht, um Funktionalität und Effizienz zu verbessern. Hier zeigen wir die Entwicklung eines selbststabilisierenden Schwimmbiorobot, der seine Tonhöhe, Tiefe und Roll ohne externe Eingriffe beibehalten kann. Die Konstruktion und Fertigung des PDMS-Gerüstes für den biologischen Aktor und Biorobot, gefolgt von der Funktionalisierung mit Fibronectin, ist in diesem ersten Teil beschrieben. Im zweiten Teil dieses zweiteiligen Artikels beschreiben wir den Einbau von Kardiomyozyten und charakterisieren den biologischen AktAtor und biorobot Funktion. Beide integrieren eine Basis und Schwanz (Cantilever), die Fin-basierten Antrieb zu produzieren. Der Schwanz ist mit weichen Lithographietechniken unter Verwendung von PDMS und Lasergravur aufgebaut. Nach dem Einbau des Schwanzes mit der Gerätebasis wird er mit einem Zellklebstoffprotein funktionalisiert und mit Kardiomyozyten konfektioniert. Die Basis des biologischen Aktuators besteht aus einem festen PDMS-Block mit einer zentralen Glasperle (wirkt als Gewicht). Die Basis des Biorobots besteht aus zwei zusammengesetzten PDMS-Materialien, Ni-PDMS und Mikroballon-PDMS (MB-PDMS). Das Nickelpulver (in Ni-PDMS) ermöglicht die magnetische Kontrolle des Biorobots während der Zutaten und der Stabilität während der Fortbewegung. Mikroballons (in MB-PDMS) verringern die Dichte von MB-PDMS und ermöglichen dem Biorobot zu schwimmen und schwimmen stetig. Die Verwendung dieser beiden Materialien mit unterschiedlichen Massendichten ermöglichte eine präzise Kontrolle der Gewichtsverteilung, um eine positive Wiederherstellungskraft in jedem Winkel des Biorobots zu gewährleisten. Diese TechnikProduziert einen magnetisch gesteuerten selbststabilisierenden Schwimmen Biorobot.
Introduction
Biologische Aktoren und Biorobots werden aktiv untersucht, um eine Alternative zur konventionellen Robotik für zahlreiche Anwendungen zu bieten. Biorobots, die 5 , 6 , 7 , 8 laufen, schwimmen 1 , 2 , 3 , 4 , Pumpe 9 , 10 oder Griff 11 , 12 , 13 Wurden bereits entwickelt. Ähnlich können Muskelzellen in eine 3D-gerollte PDMS-Struktur 14 eingebaut werden. Oft werden die Biorobot-Backbones unter Verwendung von weichen Lithographietechniken mit Materialien wie Hydrogelen und PDMS (Polydimethylsiloxan) hergestellt. Das sind attraktive Entscheidungen wegen ihrer Flexibilität, BiokompatibilitätUnd leicht abstimmbare Steifigkeit. Lebendige Muskelzellen werden gewöhnlich mit diesen Materialien inkorporiert, um eine Kraftgenerierung durch Kontraktion zu ermöglichen. Säugetier-Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) und Skelettmuskelzellen wurden dominant zur Betätigung verwendet. Neben diesen beiden wurden Insektenmuskelgewebe verwendet, um Biorobots bei Raumtemperatur 3 zu betreiben. In dieser zweiteiligen Studie wurden Kardiomyozyten wegen ihrer spontanen Kontraktion ausgewählt 6 .
Ein Großteil der früheren Forschung auf Biorobots konzentrierte sich auf die Entwicklung der biologischen Aktoren, während die Optimierung der Biorobotarchitektur und die Entwicklung wesentlicher Funktionalitäten für die Biorobots weitgehend vernachlässigt wurden. In letzter Zeit zeigten einige Berichte die Umsetzung unterschiedlicher Schwimmmodi, die von den in der Natur gefundenen Antriebsmodi inspiriert wurden. Diese Methoden beinhalten PDMS-Filme und Muskelzellen, um verschiedene natürliche Antriebsmethoden nachzuahmen. Zum Beispiel wurden Flagella-basierter Antrieb 1 , biomimetischer Quallenantrieb 2 , Bio-Hybrid-Strahl 4 und Dünnfilm-PDMS-Schwimmvorrichtungen 13 beschrieben .
In dieser Arbeit präsentieren wir den Herstellungsprozess von selbststabilisierenden Schwimmen Bioroboten, die Tauch-Tiefe sowie Pitch und Roll beibehalten können. Der Biorobot hat eine feste Basis oder einen Körper, der von einem einzigen Cantilever mit an seiner Oberfläche angebrachten Kardiomyozyten angetrieben wird. Die Kardiomyozyten bewirken, dass sich der Ausleger in einer Längsrichtung biegt, wenn er sich zusammenzieht. Diese Form des Schwimmens wird als ostraciiform Schwimmen klassifiziert. Die Fähigkeit, zusätzliche Funktionalitäten auf der Basis hinzuzufügen, ist ein einzigartiger Vorteil des ostraciiform Schwimmens. Zum Beispiel kann die Basis verwendet werden, um einen übertriebenen Auftrieb zu liefern, um zusätzliche Ladungen oder Steuerschaltungen für die Kardiomyozytenkontraktion zu tragen.
StabilitätDes Biorobots wurde in früheren Studien von Bioroboten oft übersehen. In dieser Studie haben wir eine Selbststabilisierung durchgeführt, indem wir die Basis mit verschiedenen zusammengesetzten PDMS-Materialien mit unterschiedlichen Massendichten konstruieren. Der Biorobot zeigt somit Widerstand gegen äußere Störungen und behält seine Tauchentiefe, Pitch und Roll, ohne Hilfe. Die erste Schicht ist Mikroballon PDMS (MB-PDMS), dh PDMS gemischt mit Mikroballons, was die Dichte des Biorobots senkt, so dass es in Medien schweben kann. Die zweite Schicht ist der PDMS-Cantilever, und seine Dicke ist so zugeschnitten, dass die von den Kardiomyozyten erzeugte Kraft den Cantilever drastisch von 45 ° auf 90 ° biegen kann. Die untere Schicht ist Nickel-PDMS (Ni-PDMS), dh PDMS mit Nickelpulver gemischt. Diese Schicht führt mehrere Funktionen aus. Es ist magnetisch und erlaubt es daher, den Biorobot am Boden des Mediums, während der Zellseeding, mit einem Magneten zu verankern. Das Nickelgemisch hat eine höhere Dichte als das MB-PDMS undMittel, und sorgen für eine aufrechte Position des Biorobots beim Schwimmen. Das Gewicht dieser Schicht erzeugt ein Wiederherstellungsmoment auf dem Biorobot bei jedem Pitch und Roll. Auch das Volumenverhältnis zwischen dem Ni-PDMS und dem MB-PDMS hält die Eintauchtiefe aufrecht. Die vorgestellten Protokolle wären für Forscher, die an der Charakterisierung der Schlagkraft von Muskelzellen und Geweben interessiert sind, sowie diejenigen, die schwimmende Biorobots bauen möchten, sehr nützlich.
Die Aussaat der funktionalisierten biologischen Aktor- und Biorobot-Geräte, die mechanische und biochemische Charakterisierung der Zellen sowie die quantitative Analyse der Gerätefunktion sind in Teil 2 dieses zweiteiligen Artikels sowie in der jüngsten Arbeit ausführlich beschrieben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Verschiedene Fortbewegungsmechanismen finden sich unter Wasserschwimmern 16 . Der Fortbewegungsmechanismus des Biorobots in dieser Studie verwendet fin-basierte Fortbewegung, speziell ostraciiform Fortbewegung. Ostraciiform Schwimmer treiben sich selbst, indem sie einen Schwanz (Cantilever) wackeln und einen starren Körper haben (geschichtete Basis) 16 . Fische wie die Boxfische und Cowfish verwenden diese Art von Fortbewegung. Ostraciiform Schwimmer sind in der Regel lan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT Holley wird unterstützt durch die Graduate Fellows Programm der Louisiana Board of Regents und C. Danielson wird von Howard Hughes Medical Institute Professors Programm unterstützt. Diese Studie wird von NSF Grant No: 1530884 unterstützt. Die Autoren bedanken sich bei der Unterstützung des Reinraums im Center for Advanced Microstructures and Devices (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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