心筋細胞ベースのアクチュエータおよび自己安定化バイオロゴ - パート1
Summary
この2部構成の研究では、非常に柔軟なポリジメチルシロキサン（PDMS）カンチレバーおよび生存筋細胞（心筋細胞）を用いて生物学的アクチュエータを開発し、特徴付けた。生物学的アクチュエータは、自己安定化したスイミングビオロボを構築するために、改変されたPDMS材料で作られた基材と組み合わされた。
Abstract
ビオロボットと呼ばれることが多い生物機械は、生きている成分の収縮活性のみによって駆動される、生きている細胞または組織ベースのデバイスである。その固有の利点のために、ビオロボは伝統的な完全人工ロボットの代替として関心を集めています。様々な研究が生物学的アクチュエータの力を利用することに焦点を当ててきたが、近年の研究では、ビオロボットの性能を定量的に特徴づけ、機能性と効率を高めるためにジオメトリを研究した。ここでは、外部からの介入なしにピッチ、深さ、ロールを維持できる自立型スイミングバイオロボットの開発を紹介します。生物学的アクチュエータおよびバイオロボットのためのPDMS足場の設計および製作に続いて、フィブロネクチンによる機能化がこの第1部に記載されている。この2部構成の記事の第2部では、心筋細胞の取り込みを詳述し、生物学的作用を特徴付けるatorとbiorobotの機能。両方とも、フィンベースの推進力を生成するベースとテール（カンチレバー）を組み込んでいます。テールは、PDMSとレーザー彫刻を使用してソフトリソグラフィ技術で構築されています。尾部をデバイス基部に組み込んだ後、それを細胞接着タンパク質で機能化し、心筋細胞とコンフルエントに播種する。生物学的アクチュエータの基部は、中央ガラスビーズ（重量として作用する）を有する固体PDMSブロックからなる。ビオロボットの基部は、2つの複合PDMS材料、Ni-PDMSおよびマイクロバルーン-PDMS（MB-PDMS）からなる。ニッケル粉末（Ni-PDMS中）は、細胞の播種中および移動中の安定性の間、バイオロボットの磁気制御を可能にする。 Microballoons（MB-PDMS）は、MB-PDMSの密度を低下させ、ビオロボットを浮動させて着実に泳ぐことを可能にする。異なる質量密度を有するこれらの2つの材料の使用は、重量分布に対する正確な制御を可能にして、ビオロボの任意の角度で確実な復元力を確保した。この技術磁気的に制御された自己安定型スイミングビオロボを生成する。
Introduction
生物学的アクチュエータおよびバイオロボットは、従来のロボットに代わるものを多くの用途に提供するために積極的に研究されている。歩く5,6,7,8、スイム1,2,3,4 、ポンプ9,10 、またはグリップ11,12,13を歩くボルボボット すでに開発されている。同様に、筋肉細胞は3D圧延PDMS構造14に組み込むことができる。しばしば、ビオロボ骨格は、ヒドロゲルおよびPDMS（ポリジメチルシロキサン）などの材料を用いたソフトリソグラフィ技術を用いて製造される。これらは、その柔軟性のために魅力的な選択肢です、biocompatib柔軟性、および容易に調整可能な剛性。生活筋肉細胞は、収縮による力発生を提供するために、通常、これらの材料と組み合わされる。哺乳動物の心筋細胞（心筋細胞）および骨格筋細胞が、主に作動のために使用されている。これらの2つの他に、昆虫の筋肉組織は、室温でビオロボットを操作するために使用されている3 。この2回の研究では、自発収縮のために心筋細胞を選択した6 。
ビオロボに関する初期の研究の多くは、生物学的アクチュエータの開発に焦点を当てていたが、ビオロボー構造の最適化とビオロボットの本質的機能の開発は、ほとんど無視されていた。最近、いくつかの報告は、自然界に見られる推進モードに触発された様々な水泳モードの実施を実証した。これらの方法は、様々な天然推進方法を模倣するためにPDMSフィルムおよび筋肉細胞を組み込む。例えば、鞭毛ベースの推進1 、生体模倣のクラゲ推進2 、バイオハイブリッド光4 、および薄膜PDMS水泳装置13が報告されている。
本論文では、浸水深さとピッチとロールを維持できる自己安定水泳用ビオロボの製造プロセスを紹介する。ビオロボットは、その表面に付着した心筋細胞を有する単一のカンチレバーによって推進される固体の基体または本体を有する。心筋細胞は、収縮するとカンチレバーを縦方向に曲げる。この水泳の形態は、奇妙な水泳に分類されます。ベースに追加の機能を追加する機能は、奇妙な水泳のユニークな利点です。例えば、基部は、心筋細胞の収縮のために追加の貨物または制御回路を運ぶために余分な浮力を提供するために利用され得る。
安定以前に行われたビオロボの研究では、しばしば見落とされていました。この研究では、異なる質量密度の複合PDMS材料を用いてベースを設計することによって自己安定化を実現しました。このように、ビオロボットは外乱に対する耐性を示し、浸水深さ、ピッチおよびロールを助けずに維持する。第1の層はマイクロバルーンPDMS（MB-PDMS）、 すなわちマイクロバルーンと混合されたPDMSであり、これはビオロボットの密度を低下させ、媒体中に浮遊することを可能にする。第2の層は、PDMSカンチレバーであり、その厚さは、心筋細胞によって生成される力がカンチレバーを45°から90°まで劇的に曲げることができるように調整される。最下層はニッケル-PDMS（Ni-PDMS）、 すなわち PDMSとニッケル粉末を混合したものである。このレイヤーは複数の機能を実行します。それは磁気であり、従って、バイオロボットは、細胞の播種中に、磁石を用いて培地の底に固定することができる。ニッケル混合物はMB-PDMSよりも高密度であり、浮遊している間にビオロボの直立姿勢を確保します。この層の重量は、任意のピッチおよびロールでバイオロボットに復元トルクを生成する。また、Ni-PDMSとMB-PDMSとの体積比は浸漬深さを維持する。提示されたプロトコールは、筋細胞および組織の鼓動力ならびに水泳用ビオロボットを構築することを望む人々の鼓動力を特徴付けることに関心を持つ研究者にとって非常に有用であろう。
機能化された生物学的アクチュエータおよびバイオロボットデバイスのシーディング、細胞の機械的および生化学的特徴付け、およびデバイス機能の定量的分析は、この2部構成の論文のパート2および最近の研究15に詳細に記載されている。
Protocol
Representative Results
Discussion
水泳選手の間では様々な移動機構が見られます16 。この研究でのビオロボの運動機構は、フィンベースの運動、具体的には並置運動を使用する。騎乗的な水泳者は、尾を振って（片持ち）、剛体（層状の基部） 16を持って自らを推進します。ボクフやカウフィッシュなどの魚は、このタイプの移動を使用します。扇動的なスイマーは、典型的には遅く、非?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT HolleyはLouisiana Board of RegentsのGraduate Fellowsプログラムによって支持されており、C. DanielsonはHoward Hughes Medical Institute教授プログラムの支援を受けています。この研究は、NSFグラント番号：1530884で支持されています。著者は、先端微細構造デバイスセンター（CAMD）のクリーンルームのサポートに感謝したいと思います。
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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