Actuador basado en células musculares cardíacas y biorobot autoestabilizante - PARTE 1
Summary
En este estudio en dos partes, un actuador biológico se desarrolló utilizando polidimetilsiloxano (PDMS) altamente flexible y cantilevers vivos células musculares (cardiomiocitos), y se caracteriza. El actuador biológico se incorporó con una base hecha de materiales PDMS modificados para construir un biorobot de natación autoestabilizante.
Abstract
Las máquinas biológicas, a menudo denominadas biorobots, son dispositivos vivos basados en células o tejidos que se alimentan únicamente por la actividad contráctil de componentes vivos. Debido a sus ventajas inherentes, los biorobots están ganando interés como alternativas a los robots tradicionales totalmente artificiales. Varios estudios se han centrado en aprovechar el poder de los actuadores biológicos, pero sólo recientemente los estudios han caracterizado cuantitativamente el rendimiento de los biorobots y estudiado su geometría para mejorar la funcionalidad y la eficiencia. Aquí, demostramos el desarrollo de un biorobot de natación auto-estabilizante que puede mantener su tono, profundidad y rollo sin intervención externa. El diseño y fabricación del andamio PDMS para el actuador biológico y biorobot seguido de la funcionalización con fibronectina se describe en esta primera parte. En la segunda parte de este artículo en dos partes, detallamos la incorporación de cardiomiocitos y caracterizarAtor y biorobot. Ambos incorporan una base y cola (voladizo) que producen propulsión basada en aletas. La cola se construye con técnicas de litografía blanda utilizando PDMS y grabado láser. Después de incorporar la cola con la base del dispositivo, se funda con una proteína adhesiva celular y se siembra confluentemente con cardiomiocitos. La base del actuador biológico consiste en un bloque PDMS sólido con una perla de vidrio central (actúa como un peso). La base del biorobot consiste en dos materiales compuestos de PDMS, Ni-PDMS y microbalón-PDMS (MB-PDMS). El polvo de níquel (en Ni-PDMS) permite el control magnético del biorobot durante la siembra de las células y la estabilidad durante la locomoción. Los microbolones (en MB-PDMS) disminuyen la densidad de MB-PDMS, y permiten que el biorobot flote y nade constantemente. El uso de estos dos materiales con diferentes densidades de masa permitió un control preciso sobre la distribución del peso para asegurar una fuerza de restauración positiva en cualquier ángulo del biorobot. Esta técnicaProduce un biorobot de natación auto-estabilizante controlado magnéticamente.
Introduction
Actuadores biológicos y biorobots están siendo estudiados activamente para proporcionar una alternativa a la robótica convencional para numerosas aplicaciones. Biorobots que caminan 5 , 6 , 7 , 8 , nadan 1 , 2 , 3 , 4 , bomba 9 , 10 , o agarre 11 , 12 , 13 Ya se han desarrollado. Del mismo modo, las células musculares pueden ser incorporados en una estructura laminada en 3D PDMS [ 14] . A menudo, las estructuras biorobotales se fabrican usando técnicas de litografía blanda con materiales tales como hidrogeles y PDMS (polidimetilsiloxano). Estas son opciones atractivas debido a su flexibilidad, biocompatibY la rigidez fácilmente sintonizable. Las células musculares vivas se incorporan normalmente con estos materiales para proporcionar la generación de fuerza a través de la contracción. Las células del músculo cardíaco de los mamíferos (cardiomiocitos) y las células del músculo esquelético han sido usadas predominantemente para el accionamiento. Además de estos dos tejidos musculares de insectos se han utilizado para operar biorobots a temperatura ambiente 3 . En este estudio en dos partes, los cardiomiocitos fueron elegidos debido a su contracción espontánea [ 6] .
Gran parte de la investigación anterior sobre biorobots se centró en el desarrollo de los actuadores biológicos, mientras que la optimización de la arquitectura biorobot y el desarrollo de funcionalidades esenciales para los biorobots fueron en gran medida descuidados. Recientemente, algunos informes demostraron la implementación de diferentes modos de natación que se inspiraron en los modos de propulsión encontrados en la naturaleza. Estos métodos incorporan películas PDMS y células musculares para imitar diversos métodos de propulsión natural. Por ejemplo, se han descrito propulsión 1 basada en flagelos, propulsión 2 de medusas biomiméticas, rayos biohíbridos 4 y dispositivos de natación PDMS de película delgada 13 .
En este artículo presentamos el proceso de fabricación de biorobots de natación autoestabilizantes que pueden mantener la profundidad de inmersión así como el tono y el balanceo. El biorobot tiene una base sólida o cuerpo, que es propulsado por un solo cantilever con cardiomiocitos unidos a su superficie. Los cardiomiocitos hacen que el voladizo se doble en una dirección longitudinal cuando se contraen. Esta forma de natación se clasifica como natación ostraciiforme. La posibilidad de añadir funciones adicionales a la base es una ventaja única de la natación ostraciiforme. Por ejemplo, la base puede utilizarse para proporcionar una flotabilidad excesiva para transportar cargas adicionales o circuitos de control para la contracción de cardiomiocitos.
EstabilidadDel biorobot a menudo se pasaba por alto en estudios previos de biorobots. En este estudio, hemos implementado la auto-estabilización mediante el diseño de la base con diferentes materiales compuestos PDMS de densidades de masa variable. El biorobot presenta así resistencia a las perturbaciones externas y mantiene su profundidad de inmersión, paso y balanceo, sin ayuda. La primera capa es el microbolón PDMS (MB-PDMS), es decir , PDMS mezclado con microbalones, lo que disminuye la densidad del biorobot, lo que le permite flotar en los medios de comunicación. La segunda capa es el voladizo PDMS, y su espesor se adapta de tal manera que la fuerza generada por los cardiomiocitos puede doblar dramáticamente el voladizo de 45º a 90º. La capa inferior es níquel-PDMS (Ni-PDMS), es decir , PDMS mezclado con polvo de níquel. Esta capa realiza múltiples funciones. Es magnético, y por lo tanto permite que el biorobot se ancle en la parte inferior del medio, durante la siembra de células, con un imán. La mezcla de níquel es de mayor densidad que el MB-PDMS yMedio, y asegurar una posición vertical del biorobot mientras flotante. El peso de esta capa genera un par de recuperación en el biorobot en cualquier paso y rollo. Además, la relación de volumen entre el Ni-PDMS y el MB-PDMS mantiene la profundidad de inmersión. Los protocolos presentados serían de gran utilidad para los investigadores interesados en caracterizar la fuerza de golpeo de células y tejidos musculares, así como aquellos que desean construir biorobots natación.
La siembra del actuador biológico funcionalizado y los dispositivos biorobot, la caracterización mecánica y bioquímica de las células y el análisis cuantitativo de la función del dispositivo se describen en detalle en la Parte 2 de este artículo en dos partes así como en el trabajo reciente 15 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Varios mecanismos de locomoción se pueden encontrar entre los nadadores acuáticos 16 . El mecanismo de locomoción del biorobot en este estudio utiliza la locomoción basada en las aletas, específicamente la locomoción ostraciiforme. Los nadadores de Ostraciiform se propulsan moviendo una cola (cantilever) y teniendo un cuerpo rígido (capa de la base) 16 . Los peces como el boxfish y cowfish utilizan este tipo de locomoción. Los nadadores ostraciiformes son típicame…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT Holley es apoyado por el programa Graduate Fellows de la Junta de Regentes de Louisiana y C. Danielson es apoyado por el Programa de Profesores del Instituto Médico Howard Hughes. Este estudio es apoyado por el NSF Grant No: 1530884. Los autores desean agradecer el apoyo de la sala limpia en el Centro de Microstructuras y Dispositivos Avanzados (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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