مقالة منهجية

Bioinspired لينة روبوت مع Microelectrodes المدمجة

DOI:

10.3791/60717

⸱

فبراير 28, 2020

 ,  ,  , 
1Division of Engineering in Medicine, Department of Medicine, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, 2School of Medicine, Jiangsu University, 3Tech4Health and Neuroscience Institutes, NYU Langone Health, 4Department of Electronics and Telecommunication, Politecnico di Torino

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم تصنيع سقالة مستوحاة من الحيوية بواسطة تقنية الطباعة الحجرية الضوئية الناعمة باستخدام هيدروجيلات ميكانيكية قوية وموصلة كهربائيا. توفر الهيدروجيلات المجهرية محاذاة خلايا القلب الخلايا الاتجاهية ، مما يؤدي إلى اتجاه مصمم خصيصًا للتنشيط. كما يتم دمج الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة في السقالة لجلب إمكانية التحكم الكهربائية لأنسجة القلب ذاتية التشغيل.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الأنظمة الروبوتية الناعمة المستوحاة من الحيوية التي تحاكي الكائنات الحية باستخدام الأنسجة العضلية المهندسة والمواد الحيوية تحدث ثورة في النموذج الحالي للروبوتات الحيوية ، خاصة في البحوث الطبية الحيوية. إن إعادة إنشاء ديناميكيات تشغيل اصطناعية تشبه الحياة أمر بالغ الأهمية لنظام روبوتي ناعم. ومع ذلك ، فإن التحكم الدقيق وضبط سلوك المحرك لا يزال يمثل أحد التحديات الرئيسية للأنظمة الروبوتية الناعمة الحديثة. تصف هذه الطريقة إجراء منخفض التكلفة وقابل للتطوير للغاية وسهل الاستخدام لتصنيع روبوت ناعم يمكن التحكم فيه كهربائيًا بحركات تشبه الحياة يتم تنشيطها والتحكم فيها من خلال تقلص أنسجة عضلة القلب على لدغة دقيقة سقالة هيدروجيل تشبه الأشعة. استخدام الأساليب الفوتوليثوغرافية الناعمة يجعل من الممكن لدمج مكونات متعددة بنجاح في النظام الروبوتي لينة، بما في ذلك السقالات الهيدروجيل المصممة micropatterned مع الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) جزءا لا يتجزأ من ميثاكريليل الجيلاتين (CNT-GelMA)، بولي (جلايكول الإيثيلين) diacrylate (PEGDA)، والذهب المرن (Au) microelectrodes، والأنسجة العضلية القلبية. على وجه الخصوص ، تم تصميم محاذاة الهيدروجيلووووبلوميكرومليكل لتقليد بنية العضلات والغضاريف للشعاع اللاذع. يعمل هيدروجيل CNT-GelMA الموصل كهربائيًا بمثابة سقالة خلية تعمل على تحسين سلوك النضج والانكماش في خلايا القلب ، في حين يوفر HYDROGel PEGDA القوي ميكانيكيًا دعمًا هيكليًا يشبه الغضاريف للروبوت الناعم بأكمله. للتغلب على الطبيعة الصعبة والهشة للأقطاب الكهربائية الدقيقة القائمة على المعادن ، قمنا بتصميم نمط ثعبان يتمتع بمرونة عالية ويمكن أن يتجنب إعاقة ديناميكيات ضربات القلب. توفر الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة المدمجة في Au التحفيز الكهربائي عبر الروبوت الناعم ، مما يجعل من السهل التحكم في سلوك انكماش أنسجة القلب.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الحديثة للدولة من بين الفن الروبوتات الناعمة يمكن أن تحاكي الهياكل الهرمية وديناميات العضلات من العديد من الكائنات الحية، مثل قنديل البحر1،2،لدغة راي2،الأخطبوط3،البكتيريا4،والحيوانات المنوية5. محاكاة ديناميات والعمارة من النظم الطبيعية يقدم أداء أعلى من حيث كل من الكفاءة النشطة والهيكلية6. ويرتبط هذا ارتباطاً جوهرياً بالطبيعة الناعمة للأنسجة الطبيعية (مثل الجلد أو الأنسجة العضلية مع معامل يونغ بين 104-109 باسكال) الذي يسمح بدرجات أعلى من الحرية والتشوه العالي والقدرة على التكيف بالمقارنة مع المنفعلين الهندسيين القياسيين (على سبيل المثال، معامل يونغ عادة بين 109-1012 باسكال)6. القلب العضلات القائمة على التعمل اللينة، وخاصة، تظهر كفاءة الطاقة متفوقة بسبب التشغيل الذاتي، فضلا عن إمكاناتها للإصلاح الذاتي والتجديد بالمقارنة مع نظام الروبوتية القائمة ميكانيكيا7. ومع ذلك ، فإن تصنيع الروبوتات الناعمة يمثل تحديًا بسبب ضرورة دمج مكونات مختلفة ذات خصائص فيزيائية وبيولوجية وميكانيكية مختلفة في نظام واحد. فعلى سبيل المثال، يلزم أن تتكامل النظم الاصطناعية المهندسة مع النظم البيولوجية الحية، لا أن توفر لها الدعم الهيكلي فحسب، بل أيضا التأثير على سلوكها المنفّز وتحويره. وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب العديد من أساليب التصنيع الدقيق عمليات قاسية/سامة للخلايا والمواد الكيميائية التي تقلل من جدوى ووظيفة أي مكونات حية. لذلك ، هناك طرق جديدة ضرورية لتعزيز وظائف الروبوتات الناعمة والتحكم في سلوكها وتحويره.

لدمج المكونات الحية بنجاح مع قابلية جيدة للحياة ، فإن السقالة القائمة على الهيدروجيل هي مادة ممتازة لإنشاء جسم روبوت ناعم. يمكن بسهولة ضبط الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لـ hydrogel لإنشاء بيئات دقيقة للمكونات الحية مثل أنسجة العضلات8و9. أيضا، فإنه يمكن بسهولة اعتماد تقنيات microfabrication المختلفة، مما أدى إلى إنشاء هياكل هرمية مع دقة عالية1،2،10. يمكن دمج الأجهزة الإلكترونية المرنة في الروبوت الناعم للتحكم في سلوكه مع التحفيز الكهربائي. على سبيل المثال ، تم استخدام تقنيات البولوجيل لهندسة الخلايا الكهروجينية (على سبيل المثال ، خلايا القلب ) ، والتي تظهر تنشيطًا إلوفيزيولوجيًا يعتمد على الضوء ، لتطوير شعاع اللدغة اللين ة اللين القائم على polydimethylsiloxan (PDMS) الموجه بالضوء الذي كان قادرًا على إعادة الحركة اللادسيدية للأسماك في المختبر2. على الرغم من أن التقنيات البوجينية أظهرت إمكانية تحكم ممتازة ، فإن العمل المعروض يستخدم التحفيز الكهربائي ، وهو أسلوب محاكاة تقليدي وتقليدي. وذلك لأن التحفيز الكهربائي عبر الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة سهل وبسيط مقارنة بالتقنيات الراجعة الجينية ، والتي تتطلب عمليات تطوير واسعة النطاق11. استخدام الأجهزة الإلكترونية المرنة يمكن أن تسمح لتحفيز على المدى الطويل وعمليات التصنيع القياسية / البسيطة، فضلا عن التوافق الحيوي غير قابل للعجز والخصائص الفيزيائية والميكانيكية12،13.

هنا ، نقدم طريقة مبتكرة لتصنيع روبوت ناعم مستوحى من الحيوية ، يعمل بضرب أنسجة عضلة القلب المهندسة ويتم التحكم فيه عن طريق التحفيز الكهربائي من خلال أقطاب Au الدقيقة المرنة المضمنة. تم تصميم الروبوت لينة لتقليد العضلات والغضاريف هيكل الشعاع اللاذع. الشعاع اللاذع هو كائن حي مع هيكل سهل نسبيا لتقليد والحركة بالمقارنة مع أنواع السباحة الأخرى. يتم إعادة إنشاء العضلات في المختبر عن طريق زرع خلايا القلب على ميكروجيل موصل كهربائيا. كما ذكر سابقا، ودمج الجسيمات النانوية موصل كهربائيا مثل CNT في هيدروجيل GelMA ليس فقط يحسن اقتران الكهربائية من الأنسجة القلبية، ولكن أيضا يحفز ممتازة في هندسة الأنسجة المختبرية والترتيب8،9. ثم يتم محاكاة مفاصل الغضاريف باستخدام نمط هيدروجيل PEGDA قوي ميكانيكياً يعمل كركيزة قوية ميكانيكياً للنظام بأكمله. يتم تضمين الأقطاب الميكروكهربائية Au المرنة ذات النمط الثعباني في نمط PEGDA لتحفيز أنسجة القلب محليًا وكهربائيًا.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد أجريت هذه الدراسة وفقا ً للتوصيات الواردة في دليل رعاية واستخدام الحيوانات المختبرية للمعاهد الوطنية للصحة. تمت الموافقة على البروتوكول من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها (IACUC) في مستشفى بريغهام ومستشفى النساء.

1. جيلما التوليف

  1. حل 10 غرام من الجيلاتين في 100 مل من محلول سالين فوسفيل (DPBS) باستخدام محرّك مغناطيسي عند درجة حرارة 50 درجة مئوية.
  2. أضف 8 مل من أنهيدريد ميثاكريليك ببطء أثناء تحريك محلول الجيلاتين ما قبل البوليمر عند درجة حرارة 50 درجة مئوية لمدة ساعتين. تمييع محلول الجيلاتين التفاعل مع DPBS المحمّف مسبقاً عند درجة حرارة 50 درجة مئوية.
  3. نقل المحلول المخفف إلى أغشية غسيل الكلى (قطع الوزن الجزيئي = 12-14 كيلو دا) ووضعه في الماء المنزوع الأيونات (DI). قم بغسيل الكلى عند 40 درجة مئوية لمدة أسبوع واحد تقريباً.
  4. قم بتصفية محلول الجيلما ما قبل البوليمر باستخدام فلتر معقم (حجم المسام = 0.22 ميكرومتر) ونقل 25 أو 30 مل من المحلول إلى أنابيب 50 مل وتخزينها عند -80 درجة مئوية لمدة يومين.
  5. تجميد الجافة المجمدة الجيلMA محلول ما قبل البوليمر باستخدام مجفف تجميد لمدة 5 أيام.

2. إعداد بولي (جلايكول الإيثيلين) diacrylate (PEGDA) محلول ما قبل البوليمر

  1. حل 200 ملغ (20٪ من الحل الكلي) من PEGDA (MW = 1000) مع 5 ملغ (0.5٪ من الحل الكلي) من 2-هيدروكسي-4-(2-هيدروكسيهيدروكسيكسي)-2-ميثيل بروبيوفينون (البادئ الصورة، PI) في 1 مل من DPBS.
  2. احتضان محلول ما قبل البوليمر عند 80 درجة مئوية لمدة 5 سنوات.

3. إعداد جيلما المغلفة CNT مشتتة حل الأسهم

  1. حل 80 ملغ من GelMA (تستخدم كbiosurfactant) في 4 مل من DPBS ثم إضافة 20 ملغ من COOH الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران وظيفية (MWCNTs) في محلول GelMA prepolymer.
  2. سونيكات المحملة MWCNT الجيلما قبل البوليمر الحل ل1 ساعة (0.66Hz، 100 واط).
    ملاحظة: خلال عملية سونيكيشن، يجب أن يكون مغمورة في محلول حمام مائي في ~ 15 درجة مئوية لمنع تبخر المذيبات بسبب ارتفاع في درجة الحرارة.

4. إعداد 1 ملغ / مل CNT تحتوي على 5٪ جيلما محلول ما قبل البوليمر

  1. حل 50 ملغ من GelMA و 5 ملغ (0.5٪ من الحل الكلي) من PI في 0.8 مل من DPBS في 80 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
  2. إضافة 0.2 مل من حل الأسهم CNT المعدة (الخطوة 3). دوامة واحتضان الحل في 80 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.

5. إعداد 3-(ثلاثي ميثوكسيسيل) بروبيل ميثاكريلات (TMSPMA) المغلفة شريحة الزجاج

  1. غسل الشرائح الزجاجية (سمك = 1 ملم، حجم = 5.08 سم × 7.62 سم) مع الإيثانول النقي.
  2. قم بتكديس الشرائح النظيفة رأسيًا في كوب 250 مل وانتشر 3 مل من TMSPMA فوقها باستخدام حقنة. تغطية الكأس مع رقائق الألومنيوم لمنع تبخر TMSPMA.
  3. احتضان الشرائح في فرن 80 درجة مئوية لمدة يوم واحد.
  4. غسل الشرائح الزجاجية المغلفة عن طريق غمس لهم في الإيثانول النقي، ثم تجف.
  5. تخزين الشرائح الزجاجية المغلفة ملفوفة في رقائق الألومنيوم في درجة حرارة الغرفة (RT).
    ملاحظة: حاول تقليل لمس أسطح الشرائح الزجاجية المغلفة بـ TMSPMA.

6. تصنيع أقطاب الاتحاد الافريقي مرنة

  1. تصميم قناع الظل باستخدام تصميم بمساعدة الكمبيوتر(الملف التكميلي 3).
  2. تلفيق وشراء قناع الظل.
  3. غسل الشريحة الزجاجية (سمك = 1 ملم، حجم = 3 سم × 4 سم) مع الأسيتون والجافة مع بندقية الهواء المضغوط.
  4. إرفاق قناع الظل إلى ركائز الزجاج باستخدام الشريط المزدوج من جانب، ثم وضعها في المبخر E-شعاع والانتظار حتى ضغط الغرفة تصل إلى ما لا يقل عن10-6 تور.
    ملاحظة: تم وضع قطعتين من الشريط يدوياً على الدعم على مسافة قصيرة بما يكفي لاستضافة الزجاج وكبيرة بما يكفي لتناسب نمط كامل. تستغرق هذه الخطوة حوالي 45-60 دقيقة.
  5. إيداع 200 نانومتر سميكة طبقة الاتحاد الافريقي بواسطة E-شعاع المبخر (على سبيل المثال، مع دنتون EE-4، فراغ =10-6 تور، السلطة = 2.6٪، معدل = 2 Å /s) وقطع microelectrodes ملفقة باستخدام آلة منشار مكعبات (حجم الأقطاب الكهربائية = 7.38 ملم × 8.9 ملم × 200 نانومتر).

7. تصنيع سقالة هيدروجيل micropatterned micropatterned Au المتكاملة

ملاحظة: نتيجة هذا الإجراء هو غشاء حيث هيدروجيل PEGDA micropatterned هو في الطبقة السفلية، وmicropatterned CNT-GelMA هيدروجيل هو على القمة، والاتحاد الافريقي microelectrodes هي بين طبقتين. يضمن هذا التكوين مرونة أفضل للقطب الكهربائي ويحد من خطر الكسر.

  1. تصميم وتصنيع اثنين من أقنعة ضوئية لإنشاء MICROpatterned PEGDA (1st photomask) وCNT-GelMA هيدروجيل (2قناع ضوئي) طبقات. انظر الملف التكميلي 2-3. ويمكن القيام به تصميم باستخدام برنامج كندي.
    ملاحظة: انظر الشكل 2B, E.
  2. ضع الفواصل 50 ميكرومتر التي أدلى بها التراص طبقة واحدة من الشريط غير مرئية التجارية (سمك: 50 ميكرون) على الزجاج المغلفة TMSPMA. صب 15 ميكرولتر من 20٪ من محلول ما قبل البوليمر PEGDA على رأس الزجاج المغلفة TMSPMA، ثم تغطية مع القطب الصغير الذهب. ضع قناع الضوئي الأول للشريحة الزجاجية (MICROpatterned PEGDA) على رأس القطب الصغير الذهبي وعرّض البناء بأكمله لضوء الأشعة فوق البنفسجية (مصباح قوس بخار بخار الزئبق 200 W مع فلتر 320-390 نانومتر) عند 800 ملي واط من الكثافة ومسافة 8 سم لمدة 110 ث.
    ملاحظة: انظر الشكل 1A.
  3. إضافة DPBS لإحاطة الشريحة الزجاجية وفصل hydrogel PEGDA micropatterned جنبا إلى جنب مع الأقطاب الصغيرة Au من الركيزة الزجاجية غير المصقولة بعناية بعد 5-10 دقيقة للحصول على الشريحة الزجاجية التي تحتوي على hydrogel PEGDA micropatterned مع الاتحاد الافريقي أقطاب كهربائية دقيقة.
    ملاحظة: انظر الشكل 1B. بسبب طلاء TMSPMA ، يتم نقل البناء من الركيزة الزجاجية غير المصقولة إلى الركيزة المغلفة بـ TMSPMA. فصل بعناية لأن الأقطاب الكهربائية الصغيرة الاتحاد الافريقي يمكن كسر بسهولة خلال هذه الخطوة(الشكل 3).
  4. ضع 100 ميكرومتر من الفواصل التي يتم إجراؤها عن طريق تكديس طبقتين من الشريط الشفاف التجاري (سمك = 50 ميكرومتر) في الجزء السفلي من طبق بيتري. إيداع قطرة من 20 μL CNT-GelMA محلول ما قبل البوليمر بين الفواصل ثم قم بقلب الشريحة الزجاجية التي تم الحصول عليها في 7.3 وأصلحها على الطبق بشريط لاصق.
  5. قم بتدوير الجهاز رأسًا على عقب ووضع قناع الضوئيالثاني فوق الشريحة الزجاجية. فضح تحت الأشعة فوق البنفسجية في 800 mW من كثافة و8 سم المسافة لمدة 200 ث.
    ملاحظة: انظر الشكل 1C. محاذاة القناع 2 المهم.
  6. غسل السقالة التي تم الحصول عليها مع DPBS ومع وسط ثقافة الخلية التي تشمل 10٪ مصل الأبقار الجنين (FBS).
  7. اتركيها بين عشية وضحاها في حاضنة 37 درجة مئوية قبل بذر الخلايا.

8. الفئران الوليدية cardiomyocytes العزلة والثقافة

  1. عزل القلوب من الفئران سبراغ-داولي البالغ ة من العمر يومين بعد البروتوكولات التي وافقت عليها لجنة رعاية الحيوان في المعهد8.
  2. وضع قطع القلب على شاكر بين عشية وضحاها (حوالي 16 ساعة) في 0.05٪ التربسين دون EDTA في HBSS في غرفة باردة.
  3. جمع قطع القلب مع بندقية ماصة وتقليل كمية التربسين، ثم وضعها في أنبوب 50 مل مع 10 مل من وسائل الإعلام القلبية الدافئة (10٪ FBS، 1٪ P / S، 1٪ L-الجلوتامين).
  4. دوامة ببطء (~ 60 دورة في الدقيقة) في حمام مائي 37 درجة مئوية لمدة 7 دقيقة. إزالة وسائل الإعلام بعناية من الأنبوب مع 10 مل ماصة وترك قطع القلب في الأنبوب.
  5. أضف 7 مل من 0.1٪ الكولاجين نوع 2 في HBSS ودوامة في حمام مائي 37 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
  6. مزيج مع 10 مل ماصة 10x بلطف لتعطيل قطع القلب. إزالة وسائل الإعلام من الأنبوب مع ماصة 1 مل.
  7. أضف 10 مل من 0.1٪ الكولاجين نوع 2 في HBSS ودوامة بسرعة (~ 120-180 دورة في الدقيقة) في حمام الماء 37 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة، ثم تحقق مما إذا كانت قطع القلب تذوب.
  8. مزيج مع 10 مل ماصة، ثم كرر مع ماصة 1 مل لكسر قطع القلب الماضي.
  9. مرة واحدة في حل تبدو متجانسة، ووضع مصفاة خلية 70 ميكرومتر على أنبوب جديد 50 مل وpipette الحل 1 مل في وقت واحد على مصفاة.
  10. الطرد المركزي حل خلية القلب في 180 × ز لمدة 5 دقيقة في 37 درجة مئوية.
    ملاحظة: إذا كان لا يزال هناك بعض قطع القلب أو المخاط الذي لم يذوب، كرر الخطوات 8.7-8.9 مرة أخرى.
  11. إزالة بعناية كل السائل فوق بيليه الخلية وإعادة تعليق الخلايا في 2 مل من وسائل الإعلام القلبية.
  12. أضف 2 مل من وسائط القلب من جدار الأنبوب بعناية لإعادة تعليق الخلايا وتجنب كسرها.
  13. أضف الخلايا المعلقة إلى قارورة T175 مع انخفاض وسائط القلب الدافئة عن طريق الإسقاط. وضع قارورة في حاضنة 37 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة للسماح للخلايا الليفية القلبية أن نعلق على القاع.
    ملاحظة: في هذه الخطوة preplating، سوف نعلق الخلايا الليفية القلبية إلى قارورة في حين أن القلب وخلايا القلب ستبقى في وسط التعليق.
  14. جمع وسائل الإعلام من قارورة التي تحتوي على خلايا القلب ووضعها في أنبوب 50 مل.
  15. عد الخلايا، ثم الطرد المركزي في 260 × ز لمدة 5 دقيقة في 37 درجة مئوية.
  16. إعادة تعليق والبذور الخلايا على رأس الروبوت لينة ملفقة في الخطوة 7. صب حجم معين من وسائل الاعلام القلبية مع القلب وocytes بتركيز 1.95 × 106 خلية / مل قطرة عن طريق الإسقاط على كامل سطح الجهاز.
  17. احتضان العينات في 37 درجة مئوية وتغيير وسائل الإعلام مع 5 مل خلية ثقافة وسائل الإعلام مع FBS 2٪ و 1٪ L-الجلوتامين في اليومين الأول والثاني بعد البذر. تغيير الوسائط في كل مرة يتغير لون الوسائط.

9. تلطيخ الخلية لتحليل المحاذاة

  1. إزالة وسائل الإعلام وغسل مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT.
  2. إصلاح الخلايا باستخدام 4٪ paraformaldehyde (PFA) لمدة 20 دقيقة في RT. ثم يغسل مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT.
  3. احتضان الخلايا مع 0.1٪ تريتون في DPBS في RT ل1 ح. غسل 3x مع برنامج تلفزيوني لمدة 5 دقيقة في RT.
  4. احتضان الخلايا مع مصل الماعز 10٪ في DPBS في RT لمدة 1 ساعة.
  5. احتضان الخلايا بجسم مضاد أساسي (ساركومريك α-أكتينين وconnexin-43) في مصل الماعز بنسبة 10٪ في DPBS عند 4 درجات مئوية لـ ~ 14-16 ساعة.
  6. غسل 3x مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT. احتضان الخلايا مع الأجسام المضادة الثانوية في مصل الماعز 10٪ في DPBS في RT لمدة 1 ساعة.
  7. غسل 3x مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT، ثم الخلايا المضادة للبقع مع 4'،6-diamidino-2-فينيليندول (DAPI) في مياه DI (1:1،000) لمدة 10 دقيقة في RT. غسل 3x مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT.
  8. التقاط الصور الفلورية باستخدام المجهر البؤري الليزر المقلوب.

10- اختبار الاختبارات الاكتتُرية وتقييم السلوك

  1. الضرب التلقائي للخلايا القلبية على الروبوت لينة
    1. احتضان المنفعلات المستوحاة من البيومستوحاة عند درجة حرارة 37 درجة مئوية لمدة 5 أيام وتحديث وسائل الإعلام في اليوم الأول والثاني وعند الضرورة (أي عندما تتحول الوسائط إلى اللون الأصفر). استخدام المجهر البصري المقلوب لالتقاط الصور يوميا (5x و / أو 10x). تسجيل حركات الخلايا باستخدام برنامج التقاط الفيديو على النافذة المباشرة للمجهر لمدة 30 ثانية بمعدل 20 إطارًا في الثانية (5x و /أو 10x) عندما يبدأ نشاط التعاقد (عادة ً حوالي اليوم الثالث).
    2. في اليوم 5، فصل الأغشية عن طريق رفع بلطف من الحافة مع شريحة غطاء.
      ملاحظة: إذا أظهرت الخلايا سلوك ًا قويًا في الضرب ، فإن الأغشية ستنفصل عن نفسها بسبب العمل الميكانيكي للانقباضات.
  2. تحفيز الإشارات الكهربائية السائبة
    1. باستخدام PDMS متباعدة 3 سم كحامل، لصق اثنين من أقطاب قضيب الكربون مع البلاتين (Pt) الأسلاك في طبق بيتري 6 سم مليئة وسائل الإعلام القلبية. ثم نقل بعناية الروبوت لينة في طبق بيتري.
    2. تطبيق الموجي مربع مع عرض نبض 50 مللي ثانية، DC قيمة الإزاحة 0 V، وذروة السعة الجهد بين 0.5 و 6 V. يتراوح التردد بين 0.5 و1.0 و2.0 هرتز مع دورة عمل بين 2.5% و5% و10% على التوالي. تسجيل الانقباضات على مقياس الماكرو باستخدام كاميرا متاحة تجاريًا.
  3. التحفيز الكهربائي مع أقطاب الاتحاد الافريقي
    1. بعد تصنيع وحدة الاتحاد الافريقي microelectrode المتكاملة هيدروجيل سقالة متعددة الطبقات، نعلق اثنين من الأسلاك النحاسية إلى أقطاب الاتحاد الافريقي على الرغم من منفذ مربع خارجي باستخدام عجينة الفضة.
    2. تغطية عجينة الفضة مع طبقة رقيقة من PDMS precured في 80 درجة مئوية لمدة 5 دقيقة. ثم وضع العينات على لوحة ساخنة في 45 درجة مئوية لمدة 5 ساعة لcrosslink تماما PDMS.
    3. بعد البذر cardiomyocyte، وتطبيق موجة مربعة التحفيز الكهربائي على الأسلاك النحاسية مع DC قيمة تعويض 1 V، ذروة السعة الجهد بين 1.5 و 5 V، والترددات من 0.5، 1.0، و 2.0 هرتز على التوالي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تدفق الرسم البياني للخطوات اللازمة لتطوير Au microelectrode أدرجت bioinspired الروبوت لينة
كان الهدف من تصميم الروبوت الناعم هو بناء غشاء قادر على تشغيل حركة السباحة بأقل قدر من التعقيد. يجب أن يكون الهيكل قادرًا على الحفاظ على الانثناءات القوية مرارًا وتكرارًا بمرور الوقت (حوالي 1 هرتز) وأن يكون قادرًا على الحفاظ على شكله مع تحقيق ضربات قوية. عن طريق ربط الصور بشكل انتقائي البوليمر باستخدام أقنعة ضوئية، ونحن ملفقة سقالة منظم هرميا تتألف من طبقة هيدروجيل PEGDA micropatterned، مرنة Au microelectrodes ط...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

باستخدام هذه الطريقة ، تمكنا من تصنيع بنجاح روبوت لينة تشبه السمك الخفافيش مع نسيج قلبي متكامل ذاتي التشغيل على سقالة منظمة متعددة الطبقات يتم التحكم فيها بواسطة أقطاب الاتحاد الافريقي الدقيقة المضمنة. نظرًا لطبقتين هيدروجيل مُنميتين صغيرتين مصنوعتين من البُيْدِد وCNT-GelMA، أظهرت السقالة المستوحاة من البيوهات استقرارًا ميكانيكيًا جيدًا ومحاذاة مثالية للخلايا ونضوجًا. طبقة نمط PEGDA، الذي يعمل بمثابة مفصل غضروف من الهندسة المعمارية الهيكل العظمي في شعاع اللدغة، ويوفر الدعم الميكانيكي للجسم الروبوت كله. على وجه التحديد، ح...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويعلن صاحبا البلاغ أنه ليس لهما مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تمويل هذه الورقة من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R01AR074234، R21EB026824، R01 AR073822-01)، معهد أبحاث بريغهام يخطو جائزة مبتكرة قوية، وجائزة مشروع AHA المبتكر (19IPLOI34660079).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
250 مل دورقPYREX1000-250CNEa
2-Hydroxy-4'- (2-hydroxyethoxy) -2-methylpropiophenoneSigma-Aldrich410896
3- (Trimethoxysilyl) بروبيل ميثاكريلاتMiliporeM6514
37 درجة ؛ حمام مائيVWRW6M
4 '، 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI)Sigma-AldrichD9542
50 مل أنابيب الطرد المركزي المخروطيةFalcon14-959-49A
70 & micro ؛ m Cell StrainerFalcon352350
80 درجة ؛ حاضنةVWR1370GM
Alexa Fluor 488 الماعز المضاد للفأر IgG (H + L)InvitrogenA11029
Alexa Fluor 594 الماعز المضاد للأرانب IgG (H + L)InvitrogenA11037
Alexa Fluor 488 PhalloidinInvitrogenA12379
مضاد حيوي / مضاد للفطريات الحلThermoFisher Scientific15240062
Anti-Connexin 43 / GJAI الأجسام المضادةAbcamab11370الأرانب متعدد النسيلة
مضاد للساركوميريك ألفا الأكتينينAbcamab9465فأر أحادي النسيلة
مجففات التجميدLabconco77500-00 K
خزانة السلامة الحيويةSterilgardA / B3
أقطاب قضيب الكربونSGL مجموعةالكربون 6971105
جهاز طرد مركزيEppendorf5804
CO2< / sub> حاضنةفورما Scientific3110
كولاجيناز ، النوع الثاني ، مسحوقجيبكو17-101-015
مجهر متحد البؤرZeissLSM 880
COOH الأنابيب النانوية الكربونية الوظيفيةNanoLabPD30L5-20-COOH
آلة منشار التقطيعGiorgio TechnologyDAD-321
DMEM ، ارتفاع الجلوكوزGibco11-965-118
DPBS بدون الكالسيوم والمغنيسيومGibco14-190-144
مبخر الشعاع الإلكترونيCHA57367
مصل الأبقار الجنينيGibco10-437-028
الجيلاتينسيجما ألدريتشG9391النوع B ، 300 إزهار من جلد الخنازير
شريحة زجاجيةVWR48382-180
HBSS بدون الكالسيوم أو المغنيسيوم أو الفينول الأحمرجيبكو14-175-079
مجهر بصري مقلوبأوليمبوسCK40
لوح تسخين مغناطيسيCorningPC-420
أنهيدريد ميثاكريليك276695 Sigma-Aldrichعلى 2,000 جزء في المليون من توبانول أ كمثبط
Nunc EasYFlask 175 سم 2< / sup> ThermoFisherScientific159910
OlicscopeSiglentSDS1052DL +
محلول مائي بارافورمالديهايد -16٪علوم المجهر الإلكتروني15710
PDMS SYLGARD 184Sigma-Aldrich761036
قناع ضوئيصغير استنسل صغير ، بما في ذلك
، سلك بلاتيني، ألفا إيسارAA43014BU
بولي إيثيلين جلايكول ، ثنائي ميثكريم ،بولي ساينسز ، إنك.15178-100
أنابيب غسيل الكلى السليلوز المتجددةفيشربراند21-152-14
لاصق الايبوكسي الفضيMG Chemicals8330S
Stericup Quick Release-GP نظام ترشيح الفراغ المعقمMilliporeS2GPU02RE
Ultra SonicatorQsonicaQ500
نظام المعالجة بالأشعة فوق البنفسجيةOmniCureS2000
خلاط دوامةالصناعة العلميةSI-0246A
مولد الشكل الموجيAgilent33500B
التفاف رقائق الألومنيومرينولدزN / A
يحتوي

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nawroth, J. C., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nature Biotechnology. 30 (8), 792-797 (2012).
  2. Park, S. J., et al. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
  3. Laschi, C., et al. Soft Robot Arm Inspired by the Octopus. Advanced Robotics. 26 (7), 709-727 (2012).
  4. Alapan, Y., et al. Soft erythocyte-based bacterial microswimmers for cargo delivery. Science Robotics. 3 (17), 4423(2018).
  5. Magdanz, V., Sanchez, S., Schmidt, O. G. Development of a Sperm-Flagella Driven Micro-Bio-Robot. Advanced Materials. 25 (45), 6581-6588 (2013).
  6. Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
  7. Holley, M. T., Nagarajan, N., Danielson, C., Zorlutuna, P., Park, K. Development and characterization of muscle-based actuators for self-stabilizing swimming biorobots. Lab Chip. 16 (18), 3473-3484 (2016).
  8. Shin, S. R., et al. Aligned Carbon Nanotube–Based Flexible Gel Substrates for Engineering Biohybrid Tissue Actuators. Advanced Functional Materials. 25 (28), 4486-4495 (2015).
  9. Shin, S. R., et al. Carbon-nanotube-embedded hydrogel sheets for engineering cardiac constructs and bioactuators. ACS Nano. 7 (3), 2369-2380 (2013).
  10. Shin, S. R., et al. Electrically Driven Microengineered Bioinspired Soft Robots. Advanced Materials. 30 (10), 1704189(2018).
  11. Tye, K. M., Deisseroth, K. Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models. Nature Reviews Neuroscience. 13 (4), 251-266 (2012).
  12. Feinberg, A. W., et al. Muscular thin films for building actuators and powering devices. Science. 317 (5843), 1366-1370 (2007).
  13. Jia, Z., et al. Stimulating cardiac muscle by light: cardiac optogenetics by cell delivery. Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 4 (5), 753-760 (2011).
  14. Shin, S. R. Carbon Nanotube Reinforced Hybrid Microgels as Scaffold Materials for Cell Encapsulation. ACS Nano. , (2013).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Bioinspired Soft RobotCardiac Muscle TissueMicropatterned HydrogelFlexible Gold MicroelectrodesCarbon Nanotube GelMAElectrical StimulationPhotolithography MethodsCardiomyocyte ContractionSting Ray MimicrySerpentine Electrode Design

مقالات ذات صلة