在本项分为两部分的研究中，利用高柔性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）悬臂和活体肌肉细胞（心肌细胞）研制出一种生物驱动器，并对其进行了表征。该生物驱动器结合由改性PDMS材料制成的基底，构建出一种能够自我稳定的游动生物机器人。
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方法文章
基于心肌细胞的驱动器与自稳定生物机器人——第一部分
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
生物机器，通常被称为生物机器人，是一类以活细胞或活体组织为基础的装置，其动力完全来源于活体成分的收缩活动。由于具有内在优势，生物机器人正逐渐引起关注，被视为传统全人工机器人的替代选择。已有多种研究致力于利用生物驱动器的性能，但直到最近，才开始有研究对生物机器人的性能进行定量表征，并通过几何结构优化来提升其功能与效率。本文展示了一种可自我稳定的游动型生物机器人，能够在无需外部干预的情况下维持其俯仰角、深度和滚动状态。本文第一部分描述了用于生物驱动器和生物机器人的PDMS支架的设计与制备，以及随后通过纤连蛋白进行功能化的步骤。在本两部分文章的第二部分中，我们将详细介绍心肌细胞的整合过程，并对生物驱动器与生物机器人的功能进行表征。两者均包含一个基座和尾部（悬臂结构），通过鳍状推进产生运动。尾部采用软光刻技术结合PDMS材料与激光雕刻工艺制造。在将尾部与装置基座组装后，对其进行细胞黏附蛋白功能化处理，并完全接种心肌细胞。生物驱动器的基座由一块实心PDMS块和中央的玻璃珠（作为配重）组成。而生物机器人的基座则由两种复合PDMS材料构成：Ni-PDMS和微球-PDMS（MB-PDMS）。Ni-PDMS中的镍粉可在细胞接种过程中实现磁控操作，并在运动过程中提高稳定性。MB-PDMS中的微球可降低材料密度，使生物机器人能够漂浮并稳定游动。利用这两种具有不同质量密度的材料，可精确调控整体质量分布，从而确保生物机器人在任意角度下均产生正向恢复力。该技术成功实现了磁控自稳定游动型生物机器人的构建。
引言
生物驱动器和生物机器人正在被积极研究，以期为多种应用提供一种传统机器人技术的替代方案。目前已开发出能够行走5,6,7,8、游泳1,2,3,4、泵送9,10或抓握11,12,13 的生物机器人。类似地，肌细胞可被整合到三维卷曲的PDMS结构中14。通常，生物机器人的骨架采用软光刻技术，使用水凝胶和PDMS（聚二甲基硅氧烷）等材料制造。这些材料因其柔韧性、生物相容性以及刚度易于调节而成为理想选择。通常将活体肌细胞与这些材料结合，以通过收缩产生驱动力。哺乳动物的....
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方案
1. 计算聚二甲基硅氧烷及添加剂的质量
- 使用以下公式计算在后续步骤中特定高度所需的PDMS质量，
M = ϱ*V = ϱ * 高度*面积 (1)，
其中“高度”为层的厚度，“面积”为PDMS固化所用容器的底面积，“ϱ”为混合物的密度，“V”为体积。
注：用于高度计算的密度值为：PDMS = 0.965 g/mL，Ni-PDMS = 1.639 g/mL，MB-PDMS = 0.648 g/mL。 - 使用公式(1)估算在给定容器中为获得生物致动器基底层特定高度（5 mm）所需的PDMS质量。PDMS混合物的密度为0.965 g/mL。
注：PDMS基础剂与固化剂的质量比为10:1。
Mbase = ϱ*V = ϱ*V*(
) (2)
Mcuring agent = ϱ*V = ϱ*V*(
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结果
生物致动器与生物机器人具有非常相似的制备流程，因为生物机器人是生物致动器的自然延伸（图1）。首先开发生物致动器，旨在建立生物机器人所需的技术，分析细胞产生的力，并从力学和生物化学角度表征细胞的成熟过程；这些内容在本文第二部分以及我们近期发表的研究15中均有详细描述。
在心肌细胞片完全收缩期间，针对悬臂梁曲率半径的显著变化，评估并调节了驱动器的弹簧常数。随后，在设计生物机器人时，我们特别考虑了其稳定性、细胞接种过程中的可控性以及运动的便捷性。最初选择了几种不同特性的设计方案，如图2b-2d所示，以评估哪些特性对设计需求的影响最大。我们设计并测试了具有短、长和宽悬臂梁的生物机器人，以及具有多个悬臂梁的结构，以探究驱动器变化对生物机器人功能的影响。我们还考虑了浮动基座的不同尺寸。基座的几何形状保持为三角形，因其可产生导致定向运动的不对称性。
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讨论
在水生游泳生物中可以观察到多种运动机制16。本研究中生物机器人所采用的运动机制为基于鳍的运动方式，具体为箱鲀型运动。箱鲀型游泳者通过摆动尾部（悬臂结构）并配合刚性躯体（分层基底）实现推进16。箱鲀和牛鱼等鱼类即采用此类运动方式。箱鲀型游泳者通常速度较慢，且身体形态效率较低。尽管箱鲀式游泳在速度上存在不足，但这种游泳方式使工程师能够在基底或身体部分集成多种功能（如动态稳定性）。本研究开发的生物机器人设计基于一个坚固的基底以实现浮力和稳定性，并采用自驱动悬臂结构作为推进机制。在本研究中制造生物机器人的最重要步骤之一是使用薄膜聚二甲基硅氧烷（PDMS）并通过激光雕刻工艺形成悬臂结构。若悬臂结构不够洁净，或PDMS配比不当（影响弹性）、厚度不准确（影响弹簧常数）、尺寸不合适（无法提供足够表面积以支持心肌细胞融合性黏附并产生运动），则生物机器人将无法正常运作。此外，还必须通过超声处理彻底去除悬臂表面的所有气泡，以创造适合心肌细胞附着的可行表面。
所开发的PDMS复合材料MB-PDMS和Ni-PDM.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露
致谢
M. T. Holley 获得路易斯安那州校董会研究生研究员项目的支持，C. Danielson 获得霍华德·休斯医学研究所教授项目的支持。本研究获得美国国家科学基金会资助项目（编号：1530884）的支持。作者感谢先进微结构与器件中心（CAMD）洁净室提供的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚二甲基硅氧烷（PDMS） | 道康宁 | 184 sil elast kit 0.5kg | Sylgard 184 |
| 镍粉 | 西格玛-奥德里奇 | 266981-100G | |
| 酚醛微球 | US Composites | BJO-0930 | |
| 硅晶圆 | 直径4英寸 | ||
| PWM101轻型匀胶机 | 旋涂仪 | ||
| 正性光刻胶（S1808） | 道康宁 | DEM-10018197 | |
| 加热板 | |||
| 真空腔室 | |||
| M206机械对流烘箱 | 对流烘箱 | ||
| 激光雕刻机 | Universal Laser System | VLS2.30 | 采用10 W、10.6 µm波长的CO2激光器 |
| Universal Laser Systems应用软件 | Universal Laser System | 用于运行VLS 2.30的软件 | |
| Matlab | MathWorks | 数值分析程序 | |
| Scotch胶带 | Scotch品牌 | ||
| 实心玻璃珠 | 西格玛-奥德里奇 | Z265926-1EA | 钠钙玻璃，直径3 mm |
| 电子天平 | 梅特勒-托利多 | EL303 | |
| BD-20AC实验室电晕处理仪 | Electrotechnic Products | 12051A | 电晕放电器 |
| 1.9 L超声波清洗机 | 费希尔科技 | 15-337-402 | 40 kHz工业换能器 |
| 牛血浆纤维连接蛋白 | 西格玛-奥德里奇 | F1141 | |
| Dulbecco’s磷酸盐缓冲液（PBS） | 西格玛-奥德里奇 | D1408-100ML | |
| Dulbecco’s改良Eagle培养基（DMEM） | Hyclone Laboratories | 16750-074 | 含4500 mg/L葡萄糖、4.0 mM L-谷氨酰胺和110 mg/L丙酮酸钠 |
| Fetalclone III血清 | Hyclone Industries, GE | 16777-240 | 胎牛血清 |
| 青霉素G钠盐 | 西格玛-奥德里奇 | P3032 |
参考文献
- Williams, B., Anand, S., Rajagopalan, J., Saif, M. A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number. Nat commun. 5, (2014).
- Nawroth, J., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nat Biotechnol. 30 (8), 729-797 (2012).
- Huge ....
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重印与许可
