Herzmuskelzell-basierter Aktuator und selbststabilisierender Biorobot - Teil 2

Zusammenfassung

In dieser Studie werden ein biologischer Aktuator und ein selbststabilisierender, schwimmender Biorobot mit funktionalisierten elastomeren Cantileverarmen mit Kardiomyozyten ausgesät, kultiviert und charakterisiert für ihre biochemischen und biomechanischen Eigenschaften über die Zeit.

Zusammenfassung

In den letzten Jahren wurden Hybrid-Geräte entwickelt, die aus einer lebenden Zelle oder Gewebekomponente bestehen, die mit einem synthetischen mechanischen Rückgrat integriert ist. Diese Vorrichtungen, die sogenannten Biorobots, werden allein durch die Kraft, die aus der kontraktilen Aktivität der lebenden Komponente hervorgerufen wird, angetrieben und können aufgrund ihrer vielen inhärenten Vorteile eine Alternative zu herkömmlichen, vollständig künstlichen Robotern sein. Hier beschreiben wir die Methoden, um einen biologischen Aktuator und einen Biorobot zu seedieren und zu charakterisieren, der im ersten Teil dieses zweiteiligen Artikels entworfen, gefertigt und funktionalisiert wurde. Gefertigte biologische Aktuatoren und Biorobot-Vorrichtungen, die aus einer Polydimethylsiloxan-Basis (PDMS) und einem Dünnfilm-Cantilever zusammengesetzt waren, wurden für die Zelladhäsion mit Fibronektin funktionalisiert. Nach der Funktionalisierung wurden neonatale Ratten-Kardiomyozyten auf den PDMS-Cantilever-Arm mit hoher Dichte ausgesät, was zu einer konfluenten Zellfolie führte. Die Geräte wurden jeden Tag abgebildet und die Bewegung der CantiHebelarme wurde analysiert. Am zweiten Tag nach dem Seeding beobachteten wir die Biegung der Cantilever-Arme aufgrund der Kräfte, die von den Zellen während der spontanen Kontraktionen ausgeübt wurden. Bei der quantitativen Analyse der Cantilever-Biegung wurde eine allmähliche Zunahme der Oberflächenspannung, die von den Zellen ausgeübt wurde, während sie im Laufe der Zeit reiften, beobachtet. Ebenso beobachteten wir die Bewegung des Biorobots aufgrund der Betätigung des PDMS-Cantileverarms, der als Flosse fungierte. Bei der Quantifizierung der Schwimmprofile der Geräte wurden verschiedene Antriebsmodi beobachtet, die durch den Ruhewinkel der Rippe beeinflusst wurden. Die Bewegungsrichtung und die Schlagfrequenz wurden auch durch den Ruhewinkel der Rippe bestimmt und es wurde eine maximale Schwimmgeschwindigkeit von 142 μm / s beobachtet. In diesem Manuskript beschreiben wir die Vorgehensweise für die Bevölkeung der gefertigten Geräte mit Kardiomyozyten sowie für die Beurteilung der biologischen Aktor- und Biorobot-Aktivität.

Einleitung

Biorobots sind Geräte, die auf lebenden Zellen basieren, die in einem mechanischen Rückgrat eingebaut sind, das üblicherweise aus weichen, elastischen Materialien wie PDMS oder Hydrogelen besteht. Die Zellen unterliegen rhythmischen Kontraktionen, entweder spontan oder in Reaktion auf Reize und fungieren somit als Aktuator. Die aus der Zellkontraktion erzeugte Kraft treibt verschiedene Biorobots an. Säugetierherzzellen (Kardiomyozyten) und Skelettmuskelzellen werden häufig aufgrund ihrer kontraktilen Eigenschaften für die Biorobot-Betätigung verwendet. Abgesehen von Kardiomyozyten- und Skelettmuskelzellen wurden auch andere Zelltypen wie Insektenmuskelgewebe

Protokoll

Alle hier beschriebenen Verfahren wurden mit einem genehmigten Protokoll und gemäß den Bestimmungen des Institutional Animal Care and Use Committee der Universität von Notre Dame durchgeführt.

1. Zellseeding und Kultur

1. Bevor Sie beginnen, bereiten Sie die benötigten Gegenstände vor: einen kleinen Trichter, Pipetten und warmes Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM), ergänzt mit 10% Fetal Bovine Serum (FBS) und 1% Penicillin Antibiotikum (DMEM komplett).
2. Nehmen Sie T-25 Flaschen zusammen mit dem funktionalisierten Gerät (biologischer Aktor oder dem Biorobot) darin. Siehe Abschnitt 4 des Teils 1 dieses zweiteiligen Manu....

Ergebnisse

Der biologische Aktuator aus einem dünnen PDMS-Cantilever (25 μm Dicke) und Kardiomyozyten bildet den Kern des schwimmenden Biorobots, wie im schematischen und Screenshot der Geräte in Abbildung 1 gezeigt . Die Zellen beginnen nach 24 h in der Kultur Kontraktionen zu zeigen, und das Biegen der freitragenden Arme wurde am Tag 2 beobachtet. Das Seitenprofil der Vorrichtung wurde jeden Tag aufgezeichnet, und die Oberflächenspannung wurde aus der Biegung der Auslegerarme unt.......

Diskussion

Das hier beschriebene Verfahren beschreibt eine erfolgreiche Seeding-Methode für PDMS-basierte Aktoren und Biorobots, die die Anbindung von Kardiomyozyten erleichtert. Weiterhin wurde der Prozess der Bilderfassung und die anschließende Analyse, die das Verhalten der Zellen charakterisiert, und die Leistungsfähigkeit der Geräte beschrieben.

Wir beobachteten spontane Kontraktion der Zellen an den freitragenden Armen nach 24 h; Die Intensität der Kontraktionen setzte sich im Laufe der Zeit stet.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Chemikalien und Reagenzien
Kardiomyozyten (primäre Herzzellen)	Charles River	NA	Isoliert aus 2 Tage alten neonatalen Sprague Dawley Ratten
Dulbecco' s modifizierter Adler" s Medien (DMEM)	Hyclone Laboratories	16750-074	mit 4500 mg/L Glukose, 4,0 mM L-Glutamin und 110 mg/L Natriumpyruvat
Fetalclone III Serum	Hyclone Industries, GE	16777-240	Fetal Bovin Serum (FBS)
Dulbecco' s Phosphatpuffer (PBS)	Sigma-Aldrich	D1408-100ML
Penicillin-G Natriumsalz	Sigma-Aldrich	P3032
Ziegenserum	Sigma-Aldrich	G9023
4,6-Diamidino-2-phenylindol-dihydrocholrid Pulver (DAPI)	Sigma-Aldrich	D9542
Fibronektin aus Rinderplasma	Sigma-Aldrich	F1141	Lösung (1 mg/ ml)
Calcein-AM und Ethidium-Homodimer-1 Kit (Lebend-/Tot-Assay)	Molekulare Sonden	L3224
Calcium Fluo-4, AM	Molekulare Sonden	F14217	Calcium-Indikatorfarbstoff
Tyrodes-Salzlösung	Sigma-Aldrich	T2397	Pufferlösung
Pluronische F-127	Molekularsonden	P3000MP	nichtionisches Tensid-20 %ige Lösung in Dimethylsiloxan (DMSO)
16% Parafomaldehyd	Elektronenmikroskopie	15710	Achtung: Reizend und brennbar
Triton x-100	Sigma-Aldrich	X-100 100 mL	Zelllyse Detergens, (4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylenglykol, t-Octylphenoxypolyethoxyethanol, Polyethylenglykol tert-octylphenylether)
ProLong Gold Antifading-Reagenz	Molekulare Sonden	P10144	Einbettmittel
Alexa Fluor 594 Phalloidin	Molekulare Sonden	A12381	Aktin-Filament-Marker
Ziege Anti-Kaninchen IgG (H+L) Sekundärantikörper, Alexa Fluor 594 Konjugat	Molekulare Sonden	A-11012
pha	Molekulare Sonden	A-11001
Anti-Connexin 43 Antikörper	Abcam	ab11370	Gap Junction Marker
Anti-Herz-Troponin I Antikörper	Abcam	ab10231	Kontraktiles Protein
16% Paraformaldehydlösung in EM-Qualität	Elektronenmikroskopie	100503-916
Polydimethylsiloxan (PDMS)	Elsevier		Sylgard 184
Materialien und Ausrüstung
Streifen	NA	NA Jede	weiße LED ohne Spektralemission
Konfokales Mikroskop	Nikkon C2	NA	Konfokales Mikroskop mit drei Filtern.
Zoomobjektiv		Infinity Model# 252120
Software
Matlab	Mathworks	NA	Verwendet in Abschnitt 4) für die Analyse biologischer Aktuatoren.
Image J	National Institute of Health	NA	Java-basierte Bildverarbeitungssoftware. Wird in Abschnitt 5) für die Analyse von Biorobotern verwendet. Freie Bildverarbeitungs- und Analysesoftware in Java. (https://imagej.nih.gov/ij/)
Thor Cam	Thor Labs	NA	Kamera-Bediensoftware