生物灵感软机器人与合并微电极

生物启发的脚手架由软光刻技术使用机械坚固和导电水凝胶制成。微型水凝胶提供定向心肌细胞对齐，从而形成量身定制的驱动方向。柔性微电极还集成到支架中，为自驱动心脏组织提供电气可控性。

我们制造电控生物吸功能执行器的新方法，不仅克服了现有生物混合执行器的局限性，而且能有力地提高细胞基执行器的性能。利用这种低成本、易于操作的技术，可以控制和调整生物灵感软机器人的驱动行为，从而产生实时刺激。我们的新方法有可能推广到应用无线动力植入柔性电子设备，用于心脏再生。

该方法还可以作为研究细胞潜伏构造局部电刺激的新平台。首先在杜尔贝科的PBS的四毫升中溶解80毫克的凝胶。然后加入20毫克的碳氧酸功能化多壁碳纳米管，在660毫赫和100瓦的功率下对溶液进行一小时的声波化。

要创建微层PEGDA，请将一层50微米厚的商业透明胶带放在一个TMSPMA涂层玻璃幻灯片上，将15微升的20%PEGDA预聚液倒在镀膜玻璃幻灯片上，然后用金色微电子覆盖。将第一个光掩贴贴在幻灯片顶部，以 800 毫瓦的强度和 8 厘米的距离将整个结构暴露在 200 瓦的紫外线下，110 秒。在紫外线照射结束时，将玻璃滑入杜尔贝科的 PBS。

在垫片之间添加 20 微升的碳纳米管 GelMA 预聚合物溶液。5 到 10 分钟后，小心地将微图案 PEGDA 水凝胶和金微电子从未涂覆的玻璃基材上分离，然后将幻灯片倒置到空间上。用胶带将幻灯片固定到盘子上，然后将整个组件倒置。

将第二个光贴板放在玻璃幻灯片上，然后将组件暴露在紫外线下，如演示的 200 秒。在接触结束时，用新鲜的Dulbecco的PBS清洗脚手架一次，用细胞培养基用10%的胎儿牛血清补充一次。然后将脚手架放在新鲜介质中，在 37 摄氏度的培养箱中放置新培养皿。

按照标准方案从两天大的新生儿心脏分离出心肌细胞后，将细胞以每毫升心脏中等浓度的1.95倍重新悬浮到6个细胞，并在液滴中将细胞播种到制造的软机器人上。当设备的整个表面被覆盖时，在37摄氏度下孵育样品5天，在播种后的第一天和第二天用5毫升新鲜细胞培养剂代替培养素，辅以2%的胎儿牛血清和1%的L-谷氨酰胺。要评估软机器人上心肌细胞的自发跳动，从培养的第三天开始，将机器人置于倒置的光学显微镜舞台上，并使用 5 倍或 10 倍的目标和视频捕获软件以每秒 20 帧的速度对心肌细胞活动进行 30 秒成像。

在第五天，使用盖滑梯轻轻抬起边缘的膜。使用三厘米的分空间PDMS作为支架，将两个碳棒电极与铂线贴在一个六厘米的培养皿上，里面装满了心脏介质，并小心地将软机器人转移到培养皿上。然后应用脉冲宽度为 50 毫秒、直流偏移值为零伏特的平方波形，峰值电压振幅介于 0.5 和 6 伏之间。

对于对金微电极的电刺激，在多层结构制造后，使用银膏通过外部方形端口将两根铜线连接到金电极上，并在80摄氏度下用一层薄薄的PDMS覆盖，5分钟。然后将样品放在 45 摄氏度的热板上 5 小时，以完全交联 PDMS。在连接的软机器人的电线上播种心肌细胞后，在铜线上应用方波电刺激，其直流偏移值为1伏特，峰值电压振幅在1.5至5伏之间，频率分别为0.5、1和2赫兹。

这些软机器人是生物模仿两种不同水生动物，海星和曼塔射线的模式。心肌细胞种子碳纳米管GelMA层根据模式距离表现出不同的跳动行为。为了防止软机器人在心肌细胞动态跳动期间不可逆地完全滚动，PEGDA水凝胶支撑层的图案间距优化为300微米。

在这些从收缩记录获得的框架中，可以清楚地看到曼塔射线形状的执行器在机翼中间强劲关闭时，通过拉直来平衡机翼，如预期的那样弯曲机翼。由于错位化的微层碳纳米管GelMA和PEGDA水凝胶，有些膜在收缩时表现出旋转运动。微模式PEGDA和碳纳米管GelMA模式上的心脏组织也可以通过F-actin DAPI共体成像进行可视化。

通过共合显微镜以及位于微细胞上方的心脏组织相互连接的沙康结构，也可以在图案区域观察局部单轴沙体对齐和互连的沙体结构。通过连接到金电极的外部碳电极或铜线，在不同频率的电刺激下，激发阈值电压是不同的。PEGDA的UV交联过程和使用光掩贴的GelMA微模式对于获得采用多层覆盖的高质量金微选择非常重要。

生物印刷可用于制造微层水凝胶和柔性电极。我们使用生物打印技术，以快速、廉价和高吞吐量的方式获得几何上定义良好的软机器人。通过将柔性电子设备直接集成到水凝胶支架中，该方法可潜在地促进软机器人的无线电刺激的发展。

碳纳米管和有机溶剂应始终在烟罩内处理，因为碳纳米管纤维可以进入肺部，从而对癌症发展造成风险。