Name: Herzmuskelzellbasierter Aktuator und selbststabilisierender Biorobot - TEIL 1 (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 22 s
Description: Lernen Sie die Herstellung selbststabilisierender Schwimmbioroboter mit flexiblen PDMS-Cantilevern und Herzmuskelzellen. Diese Methode ermöglicht präzise Steuerung von Auftrieb und Magnetismus für biohybride Systeme.

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MT Holley wird unterstützt durch die Graduate Fellows Programm der Louisiana Board of Regents und C. Danielson wird von Howard Hughes Medical Institute Professors Programm unterstützt. Diese Studie wird von NSF Grant No: 1530884 unterstützt. Die Autoren bedanken sich bei der Unterstützung des Reinraums im Center for Advanced Microstructures and Devices (CAMD).

1. Berechnen Sie die Masse von PDMS und Additiven <ol><li> Verwenden Sie die folgende Gleichung, um die Masse der PDMS zu finden, die für bestimmte Höhen in den folgenden Prozeduren benötigt wird, M = ρ * V = ρ * Höhe * Fläche (1), Wo &#39;Höhe&#39; die Höhe der Schicht ist, &#39;Bereich&#39; ist die Fläche eines Containers, in dem das PDMS gehärtet wird, &#39;ρ&#39; ist die Dichte der Mischung und &#39;V&#39; ist das Volumen. HINWEIS: Dichte für Höhenberechnungen sind PDMS = 0,965 g / mL, Ni-PDMS = 1,639 g / mL, MB-PDMS = 0,648 g / mL. </li><li> Verwenden Sie die Gleichung (1), um die Masse des benötigten PDMS für einen bestimmten Behälter zu schätzen, um eine bestimmte Höhe (5 mm) für die Basis des biologischen Aktuators zu erhalten. Die resultierende Dichte von PDMS beträgt 0,965 g / ml. HINWEIS: Das Verhältnis beträgt 10: 1 Base zu Härtungsmittel nach Gewicht. M base = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq1.jpg" /> )(2) M Härtungsmittel = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq2.jpg" /> ) </li><li> Verwenden Sie die Gleichung (1), um die Masse des Ni-PDMS zu finden, die für einen gegebenen Behälter benötigt wird, um eine spezifische Höhe (1,5 mm) der unteren Basis des Biorobots zu erhalten. HINWEIS: Die Verhältnisse betragen 1: 1,88 (Nickelpulver nach PDMS) und 1: 1,71: 0,111 (Nickel-Pulver zu PDMS-Base zu PDMS-Härtungsmittel nach Gewicht). Die resultierende Dichte von Ni-PDMS beträgt 1,639 g / ml. M Nickel = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq3.jpg" /> ) (3) M base = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq4.jpg" /> ) M Härtungsmittel = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq5.jpg" /> ) </li><li> Ebenso verwenden Sie die Gleichung (1) bis f<html> Ind die Masse von MB-PDMS benötigt, um für einen bestimmten Behälter, um eine bestimmte Höhe (3,5 mm) der Oberseite des Biorobots zu erhalten. HINWEIS: Die Verhältnisse betragen 1: 5 (Mikroballons zu PDMS nach Gewicht) und 1: 4,54: 0,454 (Mikroballons zu PDMS-Base zu PDMS-Härtungsmittel nach Gewicht). Die resultierende Dichte von MB-PDMS beträgt 0,648 g / ml. M Mikroballon = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq6.jpg" /> ) (4) M base = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq7.jpg" /> ) M Härtungsmittel = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq8.jpg" /> ) </li><li> Überprüfen Sie die dynamische Stabilität des Biorobots mit der gewünschten Dimension und Geometrie mit den Analyseschkripten; Siehe die ergänzenden Informationen, &#39;Biorobot_dynamic_stability.m&#39; und &#39;CG_CB_calculation.m&#39;. </li></ol>_title &quot;&gt; 2. Herstellung von biologischen Aktuatoren auf einer stationären Basis HINWEIS: Siehe Abbildung 1a. <ol><li> Schleudern Sie einen dünnen Film von PDMS (siehe Abbildung 1a-1 und a2). Die Dicke des resultierenden PDMS-Films beträgt 25 μm. <ol><li> Legen Sie einen Silizium-Wafer auf einen Photoresist-Spinner und drehen Sie den Pumpschalter auf, um Saug zu erzeugen. HINWEIS : Der Siliziumwafer hat einen Durchmesser von 4 Zoll und eine Dicke von 500 μm. </li><li> Gießen Sie positiven Photoresist ( zB S1808) auf den Siliziumwafer, bis der Wafer vollständig bedeckt ist. Programmieren Sie den Spinner, um bei 2.000 U / min für 20 s zu drehen. Dann den Spinner durch Drücken auf das Fußpedal betätigen. Nach dem Spinnen das Saug abschalten. </li><li> Eine Heizplatte bis 120 ° C erhitzen. Verwenden Sie die Wafer-Pinzette, um den Silizium-Wafer vom Spinner abzuholen und legen Sie den Silizium-Wafer direkt auf die Kochplatte. Den Wafer mit einer flachen Petrischale abdecken und 10 Minuten backen. HINWEIS : Ein Ofen kann verwendet werden, um baKe der Wafer mit der gleichen Temperatur und Dauer. Abbildung 1a-1 zeigt diesen Prozess. </li><li> Legen Sie einen Plastikbehälter auf eine Waage und ziehen Sie ihn heraus. Gießen Sie 6 g PDMS-Base in den Behälter und fügen Sie 0,6 g PDMS-Härtungsmittel hinzu. Mischen Sie das PDMS sorgfältig für 5 min. HINWEIS: Nach dem Mischen sollte die Mischung mit Blasen zusammenlaufen. </li><li> Legen Sie den Behälter gemischten PDMS in eine Vakuumkammer. Den Druck der Vakuumkammer auf 100 mbar reduzieren und den Behälter für 30 min in die Kammer geben. Unterbrechen Sie das Vakuum und entfernen Sie den Behälter. Bewahren Sie den Behälter bis zum Gebrauch auf. </li><li> Legen Sie den Siliziumwafer mit der gebackenen Photoresistschicht auf den Spinner. Langsam gießen Sie die gesamte entgaste PDMS-Mischung auf den Wafer. HINWEIS: Gießen Sie langsam, so dass keine neuen Blasen in die Mischung eingeführt werden. </li><li> Setzen Sie den Spinner auf 1.200 U / min für 5 min. Den Spinnersauger einschalten und den Spinner einrasten lassen. Nach dem Spinnen das Saug abschalten. HINWEIS: TDiese Einstellungen führen zu einer 25 μm dicken Schicht PDMS. </li><li> Einen Backofen auf 40 ° C erhitzen. Verwenden Sie die Waferpinzette, um den Siliciumwafer vom Spinner abzuholen und legen Sie ihn dann in den Ofen. Den Wafer über Nacht backen und den Wafer bei Raumtemperatur abkühlen lassen. HINWEIS: Abbildung 1a-2 zeigt diesen Prozess. </li></ol></li><li> Lasergravur der Dünnfilm-PDMS-Schicht. <ol><li> Schalten Sie den Netzschalter des Lasergraviers und dessen Auspuff ein. Schalten Sie den mit dem Lasergravierer verbundenen Computer ein. Öffnen Sie die Lasergraviersoftware. </li><li> Aktivieren Sie unter der Option &quot;Datei&quot; die in Abbildung 2e gezeigte biologische Aktor-Designdatei. <ol><li> Drücken Sie die Taste &quot;Einstellungen&quot;. Klicken Sie auf &quot;Blau&quot; und ändern Sie die Leistungseinstellung auf 3% und Geschwindigkeit auf 4%. Klicken Sie auf &quot;Set&quot;. Klicken Sie auf &quot;Schwarz&quot; und ändern Sie den &quot;Modus&quot; zu überspringen. Dann klicken Sie auf &quot;Set&quot;. Muss dasselbe für &quot;Rot&quot;. Drücken Sie die Taste &quot;Übernehmen&quot;, um den Vorgang abzuschließenEinstellungen.&quot; </li><li> Drücken Sie die Taste &quot;Aktivieren Sie den Graveur&quot; oben rechts. </li></ol></li><li> Drücken Sie die Taste &quot;Relocate&quot;, um das Design in die Mitte des Bildschirmes der Software zu verschieben. </li><li> Drücken Sie die Taste &quot;Focus View&quot; im Programm und klicken Sie auf den Rand des Biorobots auf dem Bildschirm. Dadurch wird der Führungslaserpunkt des Lasergraviers an den entsprechenden Punkt verschoben. </li><li> Bewegen Sie den Wafer manuell mit Pinzette, so dass der Punkt auf dem Wafer, der dem Punkt entspricht, der in 2.2.4 geklickt wird, direkt unter dem führenden Laserpunkt liegt. </li><li> Drücken Sie die Taste &quot;Start gravieren des vorherigen Jobs&quot;, um den Gravurvorgang zu starten. Entfernen Sie den Wafer nach Abschluss der Gravur. Schalten Sie alle Geräte aus. HINWEIS: Die Schaltfläche &quot;Start gravieren der vorherigen Job&quot; ist das große grüne Dreieck. Schauen Sie nicht direkt auf den Gravurprozess, da der Laser die Augen beschädigen kann. Abbildung 1a-3 zeigt diesen Prozess. </liAufgaben </ol></li><li> Vorbereitung und Herstellung der biologischen Aktorbasis. <ol><li> Gießen Sie Glasperlen (3 mm Durchmesser) in ein 15 mL Röhrchen. Tauchen Sie die Kügelchen mit 70% Ethanol in DI-Wasser für 24 h ein. Entfernen Sie den Ethanol und füllen Sie das Röhrchen mit DI-Wasser für 24 Stunden. Gießen Sie das DI-Wasser aus und legen Sie das Röhrchen auf eine Kochplatte bei 50 ° C, um das Trocknen der Glasperlen zu erleichtern. </li><li> Füge 3 g zu der Menge an PDMS hinzu, die in Gleichung (1) gefunden wurde, um das PDMS zu berücksichtigen, das während des Gießens an den Behälterseiten haftet. Verwenden Sie Gleichung (2), um PDMS-Base und Härtungsmittelmengen zu finden. </li><li> Legen Sie einen Plastikbehälter auf eine Waage und ziehen Sie ihn heraus. Gießen Sie die Menge der PDMS-Basis in Schritt 2.3.2 in den Behälter und null es aus. Dann gießen Sie die in Schritt 2.3.2 gefundene Menge an PDMS-Härtungsmittel in den Behälter. </li><li> Mischen Sie das PDMS sorgfältig für 5 min. HINWEIS: PDMS wird in einem Verhältnis von 10: 1 Base zu Härter verwendet. Die Mischung sollte viele Blasen haben. </li><li> OrtEin Behälter, der zum Backen auf einer Skala verwendet werden soll. Füllen Sie sorgfältig die korrekte Menge an PDMS aus, die in Schritt 2.3.2 (und gemischt in Schritt 2.3.4) in den Behälter gefunden wurde. In regelmäßigen Abständen putzen Sie die Glasperlen in der gesamten PDMS-Mischung. Lassen Sie ein Minimum von 5 mm Platz um jeden Wulst für die biologische Aktor Basis. </li><li> Stellen Sie den Behälter in eine Vakuumkammer. Den Vakuumdruck auf 100 mbar reduzieren und die Vakuumpumpe abschalten. Nach 30 min das Vakuum abbrechen und den Behälter entfernen. Bis zum Gebrauch aufbewahren. HINWEIS: Der Druck in der Kammer kann im Laufe der Zeit langsam ansteigen, wenn die Mischung entgast und die Vakuumkammer ausläuft. Wenn der Druck wesentlich über 100 mbar ansteigt, schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um den Druck auf 100 mbar wiederherzustellen. </li><li> Eine Heizplatte auf 40 ° C erhitzen. Setzen Sie den Behälter PDMS und die Glasperlen sorgfältig auf die heiße Platte. Den Container abdecken und über Nacht backen. </li></ol></li><li> Biologische Stellantrieb. </stRong&gt; HINWEIS: Das folgende Verfahren kann mit bloßem Auge durchgeführt werden. <ol><li> Schneiden Sie Würfel (5 mm x 5 mm x 5 mm) aus der Schüttgut PDMS aus Teil 2.3 mit einer Rasierklinge. HINWEIS: Eine Perle sollte in der Mitte jedes Würfels sein. </li><li> Reinigen Sie alle Seiten jeder biologischen Aktorbasis, um jegliche Verunreinigungen auf den Grundflächen zu entfernen, indem Sie die Unterseite in das Band drücken und entfernen. Wiederholen Sie für jede Seite. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 2.3.2 bis 2.3.6, um eine kleine Menge an flüssigem PDMS zu machen. Tauchen Sie die Spitze einer Nadel in die flüssige PDMS. Legen Sie einen Tropfen des flüssigen PDMS auf die gravierte Grundfläche des in Schritt 2.2 gemusterten Wafers. Das Tröpfchen von PDMS verschmieren, damit es die 5 mm x 5 mm Grundfläche vollständig bedeckt. HINWEIS: Die Grundfläche ist der mittlere quadratische Abschnitt in Abbildung 2a . </li><li> Verwenden Sie die Pinzette, um den gereinigten Würfel aus Schritt 2.4.2 auf die Grundfläche zu legen, die mit flüssigem PDMS bedeckt ist. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 2.4.3 von &quot;Legen Sie einen Tropfen flüssigen PDMS&quot; in die eNd und Schritt 2.4.4 für jedes Gerät, das gemacht wird. </li><li> Eine Heizplatte auf 40 ° C erhitzen. Setzen Sie den Siliziumwafer vorsichtig mit den Baugruppen auf die Heizplatte. Den Wafer abdecken und über Nacht backen. HINWEIS : Halten Sie die Baugruppen bis zum Gebrauch an. Abbildung 1a-4 zeigt die endgültige Vorrichtung. </li></ol></li></ol> 3. Herstellung von Bioroboten (Abbildung 1b) <ol><li> Schleuderbeschichten und Lasergravieren einer dünnen PDMS-Folie <ol><li> Wiederholen Sie alle Schritte in 2.1 und 2.2 mit einem neuen Silizium-Wafer. Dies führt zu einem Silizium-Wafer mit einem dünnen Film aus PDMS und einem dünnen Film des Photoresists, der mit einem Biorobot-Design eingraviert ist. HINWEIS : Bei der Wiederholung von Schritt 2.2 verwenden Sie das Biorobot-Design für die Lasergravur anstelle des zuvor verwendeten biologischen Aktuator-Designs. Die Fig. 1b-1 und b-3 zeigen diese Verfahren. </li></ol></li><li> Vorbereitung und Herstellung von PDMS CompoStandorte. HINWEIS : Das folgende Verfahren kann mit bloßem Auge durchgeführt werden. <ol><li> Gießen Sie Phenolmikroballons in ein 50 mL Röhrchen bis voll. Füllen Sie das Röhrchen mit 70% Ethanol in DI-Wasser und lassen Sie es für 24 h sitzen. Gießen Sie das Ethanol aus, fügen Sie DI Wasser hinzu und lassen Sie es für 24 Stunden sitzen. Gießen Sie das DI-Wasser aus und legen Sie das Röhrchen dann auf eine Kochplatte bei 50 ° C, um das Trocknen der Mikroballons vor Gebrauch zu erleichtern. </li><li> Verwenden Sie die Gleichung (1) mit der MB-PDMS-Dichte und 3,5 mm Höhe, um das Volumen des benötigten PDMS zu finden. Fügen Sie 3 g zum Gesamtbetrag hinzu, um das Material zu berücksichtigen, das nach dem Gießen im Behälter bleibt. Verwenden Sie Gleichung (3), um die PDMS-Basis und die Härtungsmittelmengen zu finden. Messen Sie die entsprechende Menge an PDMS-Base, Härtungsmittel und Mikroballons unter Verwendung der Skala. </li><li> Verwenden Sie Gleichung (1) mit Ni-PDMS-Dichte und 1,5 mm Höhe, um das Volumen der benötigten PDMS zu finden. Füge 3 g zum Gesamtbetrag wie in Schritt 3.2.2 hinzu. Verwenden Sie Gleichung (2), um die PDMS-Basis zu finden und a zu härtenGentbeträge Messen Sie die geeignete Menge an PDMS-Base, Härtungsmittel und Nickelpulver unter Verwendung der Skala. </li><li> Jede Mischung aus MB-PDMS und Ni-PDMS für 5 min mischen. Setzen Sie die korrekte Menge an MB-PDMS und Ni-PDMS, die in 3.2.2 und 3.2.3 berechnet wurden, sorgfältig in separate Behälter unter Verwendung einer Skala ein. HINWEIS : Die Mischungen sollten gründlich durch einen Metall- oder Glasstab gemischt werden, ohne die Unterseite des Mischbehälters zu zerkratzen. Die Mischung wird mit Blasen zusammenlaufen. </li><li> Legen Sie beide Behälter in eine Vakuumkammer. Den Druck auf 30 mbar für 30 min reduzieren. Das Vakuum zerbrechen und die Behälter entfernen. Bis zum Gebrauch aufbewahren. </li><li> Eine Heizplatte auf 40 ° C erhitzen. Legen Sie Behälter mit MB-PDMS und Ni-PDMS auf die Heizplatte. Bedecken Sie jeden Container und backen Sie über Nacht. HINWEIS : Mit Deckel bis zum Gebrauch aufbewahren. </li></ol></li><li> Biorobot-Montage. <ol><li> Schneide Biorobot-Basen von Dimensionen, die jeweils jeder Biorobot-Größe von Ni-P entsprechenDMS und MB-PDMS mit einer Rasierklinge. Siehe Abb. 2b-2d für Grundkonstruktionen. HINWEIS: Die Dicken von Ni-PDMS betragen 1,5 mm und die von MB-PDMS 3,5 mm. </li><li> Reinigen Sie alle Seiten der Biorobot-Basen, um jegliche Verunreinigungen auf den Oberflächen zu entfernen, indem Sie die Unterseite in das Band drücken und entfernen. Wiederholen Sie für jede Seite. </li><li> Schalte einen Koronaentlader ein. Bringen Sie die Spitze des Koronaentladers 1 cm über die Ni-PDMS-Basis, die auf einer Metallplatte mit einem Reinraumgewebe dazwischen platziert wird. Bewegen Sie die Spitze um die Unterseite und fahren Sie für 15 s fort, um die Oberfläche zu behandeln. HINWEIS: Zwischen dem Koronaentlader und dem Wafer sollte eine Entladung auftreten. Wenn dies nicht der Fall ist, bringen Sie die Spitze näher, bis eine Entladung auftritt. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 3.3.3, um die Oberfläche der Basis eines Biorobots zu behandeln, der in Schritt 3.1 für die gleiche Dauer eingraviert wurde. Verwenden Sie eine Pinzette, um die Ni-PDMS-behandelte Seite auf die behandelte Seite des Films zu legen. Lassen Sie das Gerät für 5 min sitzen. HINWEIS : Das wird stronGly Bindung der beiden Teile. Siehe Abbildung 1b4 . </li><li> Verwenden Sie scharfe Pinzette, um den Biorobot-Cantilever vom Wafer zu schälen und legen Sie ihn auf die Unterseite der Ni-PDMS-Basis. Verwenden Sie eine Pinzette, um die gesamte Baugruppe vom Wafer zu entfernen. HINWEIS : Der Cantilever wird an der Ni-PDMS-Basis befestigt. Abbildung 1b-5 und b-6 zeigt dies. </li><li> Legen Sie einen kleinen Tropfen ungehärteten PDMS (10: 1 Base auf Härtungsmittel) auf der Oberseite der MB-PDMS Basis. Verwenden Sie eine Pinzette, um die Seite des Ni-PDMS mit dem Dünnfilm PDMS auf dem MB-PDMS mit dem ungehärteten PDMS zu platzieren. Legen Sie die Baugruppe in eine Plastik-Petrischale und legen Sie sie dann auf eine Kochplatte bei 40 ° C, um über Nacht zu härten. HINWEIS: Abbildung 1b-7 zeigt das Endgerät. </li></ol></li></ol> 4. Funktionalisierung der Geräte HINWEIS : Im Folgenden beschreiben wir den Vorgang der Vorbereitung der Geräte für die Zellseeding. <ol><li> PrepSind die erforderlichen Materialien: Fibronectin-Lösung (50 μg / ml), Phosphatpuffer-Salzlösung (PBS), Dulbecco&#39;s Modified Eagle Medium (DMEM), ergänzt mit 10% fötalem Rinderserum (FBS) und 1% Penicillin-Antibiotikum (DMEM komplett). </li><li> Legen Sie 100 μl Fibronectinlösung in die Mitte eines T-25 Kulturkolbens (Bodenoberfläche, wenn der Kolben aufrecht sitzt). Pflegen Sie für jedes Gerät separate Flaschen. </li><li> Legen Sie den Biorobot oder den biologischen Aktor nach unten über das Tröpfchen der Fibronectinlösung. Achten Sie darauf, dass der Cantilever entfaltet und in das Tröpfchen eingetaucht ist. Inkubieren bei 37 ℃ für 30 min. </li><li> Nach der Inkubation die Fibronectinlösung entfernen und zweimal mit PBS waschen. </li><li> Entfernen Sie den PBS und füllen Sie den Kolben mit 10 ml DMEM. Inkubieren bei 37 ℃ für 1 h, um die Entgasung des PDMS zu erleichtern. Um die Biorobots in 10 ml Medium zu tauchen, verwenden Sie einen Magneten, um das Gerät am Boden des Kolbens zu halten. Legen Sie die Flasche mit dem samPles in einem Ultraschallbad für 5 min, um die Blasen zu entfernen. HINWEIS : Während der Inkubationszeit bilden sich auf der PDMS-Oberfläche Luftblasen, die hier als Entgasung bezeichnet wird. Das in der Biorobot-Baugruppe verwendete Ni-PDMS ist magnetisch. Der biologische Aktuator benötigt keinen Magneten, da er aufgrund des Gewichts des Glaswulstes am Boden des Kolbens bleibt. Der Biorobot oder die biologische Aktuatoranordnung ist nun zum Aussaat bereit, was in Teil 2 ausführlich erläutert wird. </li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren

Verschiedene Fortbewegungsmechanismen finden sich unter Wasserschwimmern 16 . Der Fortbewegungsmechanismus des Biorobots in dieser Studie verwendet fin-basierte Fortbewegung, speziell ostraciiform Fortbewegung. Ostraciiform Schwimmer treiben sich selbst, indem sie einen Schwanz (Cantilever) wackeln und einen starren Körper haben (geschichtete Basis) 16 . Fische wie die Boxfische und Cowfish verwenden diese Art von Fortbewegung. Ostraciiform Schwimmer sind in der Regel lang...

Biologische Aktoren und Biorobots werden aktiv untersucht, um eine Alternative zur konventionellen Robotik für zahlreiche Anwendungen zu bieten. Biorobots, die 5 , 6 , 7 , 8 laufen, schwimmen 1 , 2 , 3 , 4 , Pumpe 9 , 10 oder Griff 11 , 12 , 13 Wurden bereits entwickelt. Ähnlich können Muskelzellen in eine 3D-gerollte PDMS-Struktur 14 eingebaut werden. Oft werden die Biorobot-Backbones unter Verwendung von weichen Lithographietechniken mit Materialien wie Hydrogelen und PDMS (Polydimethylsiloxan) hergestellt. Das sind attraktive Entscheidungen wegen ihrer Flexibilität, BiokompatibilitätUnd leicht abstimmbare Steifigkeit. Lebendige Muskelzellen werden gewöhnlich mit diesen Materialien inkorporiert, um eine Kraftgenerierung durch Kontraktion zu ermöglichen. Säugetier-Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) und Skelettmuskelzellen wurden dominant zur Betätigung verwendet. Neben diesen beiden wurden Insektenmuskelgewebe verwendet, um Biorobots bei Raumtemperatur 3 zu betreiben. In dieser zweiteiligen Studie wurden Kardiomyozyten wegen ihrer spontanen Kontraktion ausgewählt 6 . Ein Großteil der früheren Forschung auf Biorobots konzentrierte sich auf die Entwicklung der biologischen Aktoren, während die Optimierung der Biorobotarchitektur und die Entwicklung wesentlicher Funktionalitäten für die Biorobots weitgehend vernachlässigt wurden. In letzter Zeit zeigten einige Berichte die Umsetzung unterschiedlicher Schwimmmodi, die von den in der Natur gefundenen Antriebsmodi inspiriert wurden. Diese Methoden beinhalten PDMS-Filme und Muskelzellen, um verschiedene natürliche Antriebsmethoden nachzuahmen. Zum Beispiel wurden Flagella-basierter Antrieb 1 , biomimetischer Quallenantrieb 2 , Bio-Hybrid-Strahl 4 und Dünnfilm-PDMS-Schwimmvorrichtungen 13 beschrieben . In dieser Arbeit präsentieren wir den Herstellungsprozess von selbststabilisierenden Schwimmen Bioroboten, die Tauch-Tiefe sowie Pitch und Roll beibehalten können. Der Biorobot hat eine feste Basis oder einen Körper, der von einem einzigen Cantilever mit an seiner Oberfläche angebrachten Kardiomyozyten angetrieben wird. Die Kardiomyozyten bewirken, dass sich der Ausleger in einer Längsrichtung biegt, wenn er sich zusammenzieht. Diese Form des Schwimmens wird als ostraciiform Schwimmen klassifiziert. Die Fähigkeit, zusätzliche Funktionalitäten auf der Basis hinzuzufügen, ist ein einzigartiger Vorteil des ostraciiform Schwimmens. Zum Beispiel kann die Basis verwendet werden, um einen übertriebenen Auftrieb zu liefern, um zusätzliche Ladungen oder Steuerschaltungen für die Kardiomyozytenkontraktion zu tragen. StabilitätDes Biorobots wurde in früheren Studien von Bioroboten oft übersehen. In dieser Studie haben wir eine Selbststabilisierung durchgeführt, indem wir die Basis mit verschiedenen zusammengesetzten PDMS-Materialien mit unterschiedlichen Massendichten konstruieren. Der Biorobot zeigt somit Widerstand gegen äußere Störungen und behält seine Tauchentiefe, Pitch und Roll, ohne Hilfe. Die erste Schicht ist Mikroballon PDMS (MB-PDMS), dh PDMS gemischt mit Mikroballons, was die Dichte des Biorobots senkt, so dass es in Medien schweben kann. Die zweite Schicht ist der PDMS-Cantilever, und seine Dicke ist so zugeschnitten, dass die von den Kardiomyozyten erzeugte Kraft den Cantilever drastisch von 45 ° auf 90 ° biegen kann. Die untere Schicht ist Nickel-PDMS (Ni-PDMS), dh PDMS mit Nickelpulver gemischt. Diese Schicht führt mehrere Funktionen aus. Es ist magnetisch und erlaubt es daher, den Biorobot am Boden des Mediums, während der Zellseeding, mit einem Magneten zu verankern. Das Nickelgemisch hat eine höhere Dichte als das MB-PDMS undMittel, und sorgen für eine aufrechte Position des Biorobots beim Schwimmen. Das Gewicht dieser Schicht erzeugt ein Wiederherstellungsmoment auf dem Biorobot bei jedem Pitch und Roll. Auch das Volumenverhältnis zwischen dem Ni-PDMS und dem MB-PDMS hält die Eintauchtiefe aufrecht. Die vorgestellten Protokolle wären für Forscher, die an der Charakterisierung der Schlagkraft von Muskelzellen und Geweben interessiert sind, sowie diejenigen, die schwimmende Biorobots bauen möchten, sehr nützlich. Die Aussaat der funktionalisierten biologischen Aktor- und Biorobot-Geräte, die mechanische und biochemische Charakterisierung der Zellen sowie die quantitative Analyse der Gerätefunktion sind in Teil 2 dieses zweiteiligen Artikels sowie in der jüngsten Arbeit ausführlich beschrieben.

<table><tbody><tr><td>Polydimethylsiloxan (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>184 Sil Elast Kit&nbsp; 0,5 kg</td><td>Sylgard 184</td></tr><tr><td>Nickel Pulver</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>266981-100G</td><td></td></tr><tr><td>Phenolische Mikroballons</td><td>US Composites</td><td>BJO-0930</td><td></td></tr><tr><td>Siliziumwafer</td><td></td><td></td> 4 <td>Zoll</td></tr><tr><td>Durchmesser PWM101 leichte Spinner</td><td></td><td></td><td>Spin-Coater</td></tr><tr><td>Positiver Fotolack (S1808)</td><td>Dow Corning</td><td>DEM-10018197</td><td></td></tr><tr><td>Heizplatte</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vakuumkammer</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>M206 mechanischer Konvektionsofen</td><td></td><td></td><td>Konvektionsofen</td></tr><tr><td>Lasergravierer</td><td>Universal Laser System</td><td>VLS2.30</td><td>Verwendet eine 10 W, 10,6 & Mikro; m Wellenlänge, CO2 Laser</td></tr><tr><td>Universal Laser Systems Anwendung</td><td>Universal Laser System</td><td></td><td>Anwendung zum Ausführen des VLS 2.30</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>MathWorks</td><td></td><td>Numerisches Analyseprogramm</td></tr><tr><td>Scotch Tape</td><td>Scotch Brand</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Festglasperlen</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z265926-1EA</td><td>Kalknatronglas, Durchmesser 3 mm</td></tr><tr><td>Waage</td><td>Mettler Toledo</td><td>EL303</td><td></td></tr><tr><td>BD-20AC Labor Koronabehandler</td><td>Elektrotechnische Produkte</td><td>12051A</td><td>Korona-Entlader</td></tr><tr><td>Ultraschallbad 1,9 L</td><td>Fisher Scientific</td><td>15-337-402</td><td>40 kHz industrieller Wandler</td></tr><tr><td>Fibronektin aus Rinderplasma</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F1141</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco' s Phosphatpuffer (PBS)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D1408-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco' s Modified Eagle Medium (DMEM)</td><td>Hyclone Laboratories</td><td>16750-074</td><td>mit 4500 mg/L Glukose, 4,0 mM L-Glutamin und 110 mg/L Natriumpyruvat.</td></tr><tr><td>Fetalklon III Serum</td><td>Hyclone Industries, GE</td><td>16777-240</td><td>Fötales Rinderserum</td></tr><tr><td>Penicillin-G Natriumsalz</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3032</td><td></td></tr></tbody></table>

herzmuskelzellbasierter aktuator und selbststabilisierender biorobot - teil 1

Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1

Biologische Maschinen, die oft als Biorobots bezeichnet werden, sind lebende Zellen- oder Gewebe-basierte Geräte, die ausschließlich durch die kontraktile Aktivität lebender Komponenten angetrieben werden. Aufgrund ihrer inhärenten Vorteile erfreuen sich Biorobots als Alternativen zu traditionellen, vollständig künstlichen Robotern. Verschiedene Studien haben sich darauf konzentriert, die Kraft biologischer Aktoren zu nutzen, aber erst vor kurzem haben die Studien die Leistung von Bioroboten quantitativ charakterisiert und ihre Geometrie untersucht, um Funktionalität und Effizienz zu verbessern. Hier zeigen wir die Entwicklung eines selbststabilisierenden Schwimmbiorobot, der seine Tonhöhe, Tiefe und Roll ohne externe Eingriffe beibehalten kann. Die Konstruktion und Fertigung des PDMS-Gerüstes für den biologischen Aktor und Biorobot, gefolgt von der Funktionalisierung mit Fibronectin, ist in diesem ersten Teil beschrieben. Im zweiten Teil dieses zweiteiligen Artikels beschreiben wir den Einbau von Kardiomyozyten und charakterisieren den biologischen AktAtor und biorobot Funktion. Beide integrieren eine Basis und Schwanz (Cantilever), die Fin-basierten Antrieb zu produzieren. Der Schwanz ist mit weichen Lithographietechniken unter Verwendung von PDMS und Lasergravur aufgebaut. Nach dem Einbau des Schwanzes mit der Gerätebasis wird er mit einem Zellklebstoffprotein funktionalisiert und mit Kardiomyozyten konfektioniert. Die Basis des biologischen Aktuators besteht aus einem festen PDMS-Block mit einer zentralen Glasperle (wirkt als Gewicht). Die Basis des Biorobots besteht aus zwei zusammengesetzten PDMS-Materialien, Ni-PDMS und Mikroballon-PDMS (MB-PDMS). Das Nickelpulver (in Ni-PDMS) ermöglicht die magnetische Kontrolle des Biorobots während der Zutaten und der Stabilität während der Fortbewegung. Mikroballons (in MB-PDMS) verringern die Dichte von MB-PDMS und ermöglichen dem Biorobot zu schwimmen und schwimmen stetig. Die Verwendung dieser beiden Materialien mit unterschiedlichen Massendichten ermöglichte eine präzise Kontrolle der Gewichtsverteilung, um eine positive Wiederherstellungskraft in jedem Winkel des Biorobots zu gewährleisten. Diese TechnikProduziert einen magnetisch gesteuerten selbststabilisierenden Schwimmen Biorobot.

Der biologische Aktuator und der Biorobot haben sehr ähnliche Herstellungsprozesse, da der Biorobot eine natürliche Erweiterung des biologischen Aktors ist ( Abbildung 1 ). Der biologische Aktuator wurde zuerst entwickelt, um die für den Biorobot benötigten Techniken zu etablieren, die von den Zellen erzeugte Kraft zu analysieren und die Zellreifung mechanisch und biochemisch zu charakterisieren, die beide im Detail in Teil 2 dieses zweiteiligen Artikels beschrieben sind...

In dieser zweiteiligen Studie wurde ein biologischer Aktuator mit hochflexiblen Polydimethylsiloxan (PDMS) Cantilever und lebenden Muskelzellen (Kardiomyozyten) entwickelt und charakterisiert. Der biologische Aktuator wurde mit einer Basis aus modifizierten PDMS-Materialien eingebaut, um einen selbststabilisierenden, schwimmenden Biorobot aufzubauen.

Herzmuskelzellbasierter Aktuator und selbststabilisierender Biorobot - TEIL 1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living ...

Das übergeordnete Ziel dieses Videos besteht darin, die Entwicklung und Charakterisierung eines biologischen Aktuators mithilfe flexibler PDMS-Konsolbalken in Kardiomyozyten zu beschreiben. Diese Aktuatoren werden anschließend mit einer modifizierten Basis kombiniert, um einen selbststabilisierenden schwimmenden Bioroboter zu bilden. Die hier beschriebene Verifizierungsmethode ist einzigartig, da die mechanische Grundstruktur so modifiziert wird, dass ein selbststabilisierender schwimmender Bioroboter entsteht, dessen Position zusätzlich extern mittels Magneten bestimmt werden kann.Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass die Basiseigenschaften leicht verändert werden können, um die Auftriebskraft des Geräts anzupassen und eine Selbststabilisierung zu ermöglichen. Die Methode kann zur Entwicklung anderer neuartiger Geräte eingesetzt werden, die Selbststabilisierung und Schwimmfähigkeit erfordern. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da die mechanische Verformung der Ausleger herausfordernd ist.Wegen ihrer geringen Dicke können sie leicht reißen oder in ungewöhnliche Formen verknittern. Eine visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die Schritte und die Montage ohne visuelle Unterstützung nur schwer zu erlernen sind. Beginnen Sie damit, eine Siliziumscheibe auf einen Fotolack-Spinner zu legen.Tragen Sie einen dünnen Fotolack auf den Wafer auf und beschichten Sie ihn durch Schleudern bei 2.000 U/min für 20 Sekunden, um eine Sollschichtdicke von 1,2 Mikrometern zu erreichen. Überführen Sie anschließend den beschichteten Wafer mit Wafer-Pinzetten auf eine auf 120 Grad Celsius vorgeheizte Heizplatte. Decken Sie den Wafer mit einer flachen Petrischale ab und trocknen Sie ihn 10 Minuten lang ein.Wiegen Sie sechs Gramm einer PDMS-Grundmasse ab und mischen Sie sie mit 0,6 Gramm eines PDMS-Härters. Vermengen Sie die PDMS-Bestandteile gründlich für fünf Minuten. Geben Sie das PDMS-Gemisch in eine Vakuumkammer und ziehen Sie 30 Minuten lang ein Vakuum von 100 Millibar. Wenn der Vorgang abgeschlossen ist, brechen Sie das Vakuum ab und entfernen Sie den Behälter. Halten Sie den Behälter bedeckt, bis das PDMS benötigt wird. Sobald der Wafer abgekühlt ist, legen Sie ihn erneut auf den Fotolack-Spinner.Gießen Sie die gesamte entgaste PDMS-Mischung langsam auf das Wafer, sodass keine neuen Blasen entstehen. Beschichten Sie dann das Wafer mit einer Schleuderbeschichtung bei 1.200 U/min für fünf Minuten. Entfernen Sie das Wafer mit Wafer-Pinzetten aus dem Schleuderbeschichter und legen Sie es in einen vorgeheizten Ofen.Den Wafer über Nacht backen und anschließend auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Danach einen Lasergravierer vorbereiten, um die dünne PDMS-Schicht zu strukturieren. Schalten Sie zunächst den Lasergravierer und dessen Absauganlage ein.Schalten Sie dann den mit der Lasergravurmaschine verbundenen Computer ein und öffnen Sie die Software der Lasergravurmaschine. Öffnen Sie unter Datei die Konstruktionsdatei des biologischen Aktuators. Drücken Sie die Schaltfläche Einstellungen, klicken Sie auf Blau und ändern Sie die Leistung auf 3 % und die Geschwindigkeit auf 4 %. Klicken Sie auf Übernehmen, klicken Sie auf Rot und ändern Sie den Modus auf Überspringen.Klicken Sie dann auf „Setzen“. Wiederholen Sie dies für Schwarz. Drücken Sie die Schaltfläche „Übernehmen“, um die Einstellungen abzuschließen.Als Nächstes wählen Sie „Engraver aktivieren“. Drücken Sie dann auf „Umsiedeln“, um das Design in die Mitte des Bildschirms zu verschieben. Danach drücken Sie die Schaltfläche „Ansicht fokussieren“ und klicken auf den Rand des Designs, um den führenden Laserpunkt zu dem entsprechenden Punkt zu bewegen.Richten Sie die Wafer mit Hilfe des führenden Laserpunkts vorsichtig mit behandschuhten Händen aus. Sobald die Ausrichtung abgeschlossen ist, wählen Sie „Gravur des vorherigen Auftrags starten“, um den Gravurvorgang zu beginnen. Zur Herstellung der Basis des biologischen Aktuators wird ein Behälter zum Backen benötigt.Stellen Sie zunächst den Behälter auf eine Waage und tariern Sie die Waage. Gießen Sie dann vorgemischtes PDMS ein und platzieren Sie gereinigte Glaskugeln mit einem Durchmesser von 3 Millimetern in regelmäßigen Abständen auf die PDMS-Mischung. Lassen Sie um jede Kugel herum mindestens 5 Millimeter Platz für die Basis des biologischen Aktors.Stellen Sie den Behälter in eine Vakuumkammer, reduzieren Sie das Vakuum auf 100 Millibar und schalten Sie die Vakuumpumpe aus. Nach 30 Minuten heben Sie das Vakuum auf und nehmen den Behälter heraus. Halten Sie den Behälter bedeckt, bis er benötigt wird.Als Nächstes heizen Sie eine Heizplatte auf 40 Grad Celsius auf und stellen vorsichtig den Behälter mit PDMS und den Glaskügelchen auf die Heizplatte. Decken Sie den Behälter ab und lassen Sie ihn über Nacht aushärten. Nach dem Abkühlen schneiden Sie mit einer Rasierklinge 5 Millimeter große Würfel aus dem PDMS-Guss, sodass jeder Würfel einen Glaskügelchen in seiner Mitte enthält.Tauchen Sie dann die Spitze einer Nadel in frisch hergestelltes flüssiges PDMS und geben Sie einen Tropfen PDMS auf den gravierten Basisbereich des Wafers. Verteilen Sie den Tropfen so, dass er den 5 Millimeter mal 5 Millimeter großen Basisbereich vollständig bedeckt. Legen Sie abschließend mit einer Pinzette den Würfel, der die Glaskugel enthält, auf den mit flüssigem PDMS bedeckten Basisbereich.Wiederholen Sie diesen Vorgang für jedes Gerät. Danach übertragen Sie den Wafer auf eine Heizplatte mit 40 Grad Celsius und decken Sie ihn ab, um ihn über Nacht zu trocknen. Verwenden Sie eine scharfe Pinzette, um den Hebelarm vom Wafer abzulösen, und befestigen Sie ihn an der Seitenwand der Basis.Dann lösen Sie die gesamte Baugruppe vorsichtig von der Wafer-Oberfläche, indem Sie die Basis abziehen. Wiederholen Sie zunächst den Herstellungsprozess, der für die biologischen Aktuatoren bis zum Schritt der Lasergravur verwendet wurde. Verwenden Sie jedoch beim Bau von Biorobotern das Biorobot-Design während des Laserschneidens.Bereiten Sie anschließend die Mikroballon-PDMS-Mischung und die Nickel-Pulver-PDMS-Mischung wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben vor. Gießen Sie die Lösungen vorsichtig unter Verwendung einer Waage in separate Behälter. Stellen Sie beide Behälter in eine Vakuumkammer und senken Sie den Druck auf 100 Millibar für 30 Minuten ab.Nach dem Entgasen die Behälter über Nacht auf eine Heizplatte bei 40 Grad Celsius stellen. Mit einer Rasierklinge die Basen der Bioroboter entsprechend der jeweiligen Größe aus jedem der Polymere ausschneiden, wie hier gezeigt. Die Nickel-PDMS-Basis auf eine Metallplatte legen, wobei ein Reinraumtuch dazwischen platziert wird.Schalten Sie dann die Koronaentladungseinheit ein und führen Sie die Spitze der Einheit 1 Zentimeter über die Basen. Bewegen Sie die Spitze 15 Sekunden lang über die Basis, um die Oberfläche zu behandeln. Wiederholen Sie diesen Vorgang, um die Oberfläche der lasergravierten Basen für die gleiche Dauer zu behandeln.Verwenden Sie dann eine Pinzette, um die behandelte Seite des Nickel-PDMS auf die behandelte Seite des Films zu legen. Lassen Sie das Gerät fünf Minuten lang ruhen, damit sich die Teile miteinander verbinden. Anschließend lösen Sie mit einer scharfen Pinzette den Bioroboter-Kantilever vorsichtig von der Wafer-Oberfläche und platzieren ihn auf der Unterseite der Nickel-PDMS-Basis.Entfernen Sie anschließend die gesamte Baugruppe von der Waferplatte. Um den Mikroballon aus PDMS an der Baugruppe zu befestigen, bringen Sie zunächst einen kleinen Tropfen ungehärtetes PDMS darauf auf. Verwenden Sie dann eine Pinzette, um die Seite des Nickel-PDMS mit dem dünnen PDMS-Film auf den Tropfen ungehärteten PDMS zu setzen.Stellen Sie die gesamte Montage in eine Kunststoff-Petrischale und anschließend auf einen Heizblock bei 40 Grad Celsius, um sie über Nacht aushärten zu lassen. Um die Geräte für die Zellseeding vorzubereiten, geben Sie zunächst 100 Mikroliter einer Fibronectin-Lösung in die Mitte eines separaten T25-Kulturkolbens für jedes Gerät. Danach platzieren Sie den Bioroboter oder den biologischen Aktuator mit der Oberseite nach unten über den Tropfen der Fibronectin-Lösung.Stellen Sie sicher, dass der Hebelarm entfaltet ist und in dem Tropfen eingetaucht liegt, und inkubieren Sie anschließend den Kolben 30 Minuten bei 37 Grad Celsius. Nach der Inkubation entfernen Sie die Fibronectin-Lösung und waschen die Geräte zweimal mit PBS. Danach entfernen Sie den PBS und füllen den Kolben mit 10 Milliliter DMEM, das mit 10 % FBS und 1 % Penicillin ergänzt wurde. Die Vorrichtung eine Stunde lang bei 37 Grad Celsius inkubieren, um das PDMS zu entgasen. Anschließend den Bioroboter mit einem Magneten an der Unterseite des Kolbens fixieren und den Kolben mit den Proben fünf Minuten lang in ein Ultraschallbad stellen, um eventuelle Blasen zu entfernen. Um die geeignete Dicke jeder Verbundschicht zu bestimmen, wurden verschiedene Mischungsverhältnisse mit dem Mischungsverhältnis von Nickel und Mikrohohlkugeln in PDMS getestet.Die Nickel-PDMS-Schicht ermöglicht die magnetische Steuerung und Stabilität des Roboters. Zusätzlich erlaubt die Mikroballon-PDMS-Schicht dem Bioroboter, stabil zu schwimmen und zu schweben. Die Kombination beider Schichten ergibt das selbststabilisierende Gerüst des Bioroboters.Mithilfe eines Computerprogramms wurde die Stabilität numerisch analysiert und nachgewiesen, dass ein starkes rückstellendes Moment mit dieser zweischichtigen Methode erzeugt wird. Es ist wichtig, darauf zu achten, dass der Cantilever während des gesamten Verfahrens sauber bleibt, und dass das korrekte Mischverhältnis der PDMS-Mischung sowie die Dicke des Cantilevers eingehalten werden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie verstehen, wie elastomere Materialien zu einem dünnen Cantilever geformt werden können, um Kardiomyozyten zu tragen, und wie sie modifiziert werden können, um neue Eigenschaften wie Auftrieb oder Magnetismus für erweiterte Funktionen zu erlangen.Dieses Verifizierungsverfahren kann durch die Einbindung weiterer Techniken, wie beispielsweise die Strukturierung von Ausrichtungswürfeln, modifiziert werden, um die Zellorientierung zu fördern und die vierte Generation zu erhöhen. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasergravuren äußerst gefährlich sein kann, und Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen geeigneter Schutzkleidung und Schutzbrillen sollten stets beachtet werden, wenn dieses Verfahren durchgeführt wird.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

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