Bioinspirierter Softroboter mit integrierten Mikroelektroden

Unsere neue Methode zur Herstellung von elektrisch gesteuerten bioinspirierten Aktuatorn kann nicht nur die Einschränkung des bestehenden Biohybridaktors überwinden, sondern auch die Leistung des zellbasierten Aktuators stark verbessern. Mit dieser kostengünstigen und einfach zu handhabenden Technik kann das Betätigungsverhalten von bioinspirierten Softrobotern gesteuert und abgestimmt werden, was zu einer Echtzeitstimulation führt. Unsere neue Methode kann potenziell auf die Anwendung von drahtlos angetriebenen implantierbaren flexiblen elektronischen Geräten für die Herzregeneration erweitert werden.

Diese Methode kann auch als neue Plattform für die Untersuchung der lokalen elektrischen Stimulation von Zelllatentkonstrukten dienen. Beginnen Sie mit der Auflösung von 80 Milligramm GelMA in vier Milliliter von Dulbecco PBS. Dann fügen Sie 20 Milligramm Carbonsäure funktionalisierte mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren hinzu und beschallen die Lösung für eine Stunde bei 660 Millihertz und 100 Watt.

Um mikrogemusterte PEGDA zu erstellen, legen Sie eine Schicht von 50 Mikrometer dickem kommerziellen transparenten Klebeband auf einen TMSPMA beschichteten Glasschlitten, gießen Sie 15 Mikroliter 20%PEGDA Prepolymer-Lösung auf den beschichteten Glasschlitten und bedecken Sie es dann mit goldenen Mikroelektroden. Platzieren Sie die erste Fotomaske auf dem Dia und setzen Sie das gesamte Konstrukt 110 Sekunden lang 200 Watt ultraviolettem Licht bei 800 Milliwatt Intensität und einer Entfernung von acht Zentimetern aus. Am Ende der UV-Belichtung, setzen Sie die Glasrutsche in Dulbecco PBS.

Fügen Sie einen 20-Mikroliter-Tropfen der Carbon-Nanoröhren-GelMA-Prepolymerlösung zwischen den Abstandshaltern hinzu. Nach fünf bis zehn Minuten das mikrogemusterte PEGDA-Hydrogel und die Goldmikroelektroden vorsichtig vom unbeschichteten Glassubstrat lösen und den Schlitten kopfüber auf die Abstandshalter legen. Befestigen Sie den Schlitten mit Klebeband an der Schale und drehen Sie die gesamte Baugruppe auf den Kopf.

Legen Sie die zweite Fotomaske auf die Glasfolie und setzen Sie die Baugruppe UV-Licht aus, wie für 200 Sekunden demonstriert. Am Ende der Exposition, waschen Sie das Gerüst einmal mit frischen Dulbecco PBS und einmal mit Zellkultur Medium mit 10% fetalen Rinderserum ergänzt. Dann legen Sie das Gerüst in frischem Medium in einer neuen Petrischale in einem 37 Grad Celsius Brutkasten über Nacht.

Nach der Kardiomyozytenisolation von zwei Tage alten neonatalen Rattenherzen nach Standardprotokollen setzen Sie die Zellen 1,95 mal 10 auf die sechs Zellen pro Milliliter Herzmittelkonzentration aus und säen die Zellen in Tröpfchen auf den hergestellten weichen Roboter. Wenn die gesamte Oberfläche des Geräts bedeckt ist, inkubieren Sie die Proben bei 37 Grad Celsius für fünf Tage, ersetzen Sie den Kulturüberstand durch fünf Milliliter Frischzellenkulturmedium ergänzt mit 2%fetalem Rinderserum und 1%L-Glutamin am ersten und zweiten Tag nach der Aussaat. Um das spontane Schlagen der Kardiomyozyten auf dem weichen Roboter zu beurteilen, ab dem dritten Tag der Kultur, legen Sie den Roboter auf eine invertierte optische Mikroskopstufe und verwenden Sie eine 5X oder 10X Objektiv- und Videoaufnahmesoftware, um die Kardiomyozytenaktivität 30 Sekunden lang bei 20 Bildern pro Sekunde abzubilden.

Verwenden Sie am fünften Tag eine Abdeckungsrutsche, um die Membranen am Rand sanft anzuheben. Mit einem drei Zentimeter großen PDMS als Halter befestigen Sie zwei Kohlestabelektroden mit Platindraht an einer sechs Zentimeter großen Petrischale, die mit Herzmedium gefüllt ist, und übertragen Sie den weichen Roboter vorsichtig auf die Schale. Wenden Sie dann eine quadratische Wellenform mit einer Pulsbreite von 50 Millisekunden, einem Gleichstrom-Offsetwert von null Volt und einer Spitzenspannungsamplitude zwischen 0,5 und sechs Volt an.

Für die elektrische Stimulation mit den Goldmikroelektroden, nach der Herstellung von mehrschichtigen Konstrukt, verwenden Sie Silberpaste, um zwei Kupferdrähte an den Goldelektroden durch einen externen quadratischen Port zu befestigen und decken Sie die Paste mit einer dünnen Schicht von PDMS vorgehärtet bei 80 Grad Celsius für fünf Minuten. Legen Sie die Probe dann fünf Stunden lang auf eine Kochplatte bei 45 Grad Celsius, um das PDMS vollständig zu vernetzen. Nach der Aussaat Cardiomyozyten auf den Drähten angeschlossenweichen Roboter, wenden Sie einen quadratischen Wellen elektrischen Stimulus auf die Kupferdrähte mit dem Gleichstrom-Offset-Wert von einem Volt, eine Spitzenspannungsamplitude zwischen 1,5 und fünf Volt, und Frequenzen von 0,5, ein und zwei Hertz.

Diese weichen Roboter wurden entwickelt, indem sie die Muster von zwei verschiedenen Wassertieren, dem Seestern und dem Mantarochen, biomimiciert. Die kardiomyozyten gesäten Kohlenstoff-Nanoröhren GelMA-Schichten zeigten unterschiedliche Schlagverhalten entsprechend den Musterabständen. Um ein irreversibles vollständiges Rollen des weichen Roboters während des dynamischen Schlagens der Kardiomyozyten zu verhindern, wurde der Musterabstand der PEGDA Hydrogel-Stützschicht auf 300 Mikrometer optimiert.

In diesen Rahmen, die aus Kontraktionsaufnahmen gewonnen wurden, kann ein mantastrahlförmiger Aktuator deutlich beobachtet werden, der die Flügel wie erwartet mit dem Schwanz biegt, der die Struktur durch Richten ausbalanciert, wenn sich die Flügel in der Mitte robust schließen. Einige der Membranen zeigen eine rotierende Bewegung, während sie sich aufgrund falsch ausgerichteter mikrogemusterter Kohlenstoff-Nanoröhren-GelMA- und PEGDA-Hydrogele kontrahieren. Herzgewebe auf mikrogemusterten PEGDA- und Kohlenstoff-Nanoröhren-GelMA-Mustern kann auch durch F-Actin DAPI konfokale Bildgebung visualisiert werden.

Teilweise uniaxiale Sarkome-Ausrichtung und miteinander verbundene Sarkomrestrukturen können auch an den gemusterten Bereichen durch konfokale Mikroskopie sowie gut miteinander verbundene Sarkomestrukturen von Herzgeweben direkt über den Mikroelektroden beobachtet werden. Die Anregungsschwellenspannung unterscheidet sich bei verschiedenen Frequenzen des elektrischen Stimulus durch die externe Kohlenstoffelektrode oder Kupferdraht, die mit der Goldelektrode verbunden sind. Der UV-Vernetzungsprozess von PEGDA und gelMA Mikromusterung mit Photomasken ist wichtig für die Herstellung einer hochwertigen Goldmikroelektrode mit mehrschichtigen abgedeckten.

Bioprinting kann zur Herstellung von mikrogemusterten Hydrogelen und flexiblen Elektroden verwendet werden. Wir verwendeten Bioprinting, um geometrisch klar definierte weiche Roboter in einer schnellen, kostengünstigen und hohen Durchsatz-Weise zu erhalten. Unsere Methode kann potenziell zur Entwicklung der drahtlosen elektrischen Stimulation von Softrobotern beitragen, indem flexible elektronische Geräte direkt in hydrogelbasierte Gerüste integriert werden.

Kohlenstoff-Nanoröhren und organische Lösungsmittel sollten immer in einer Haube behandelt werden, da die Kohlenstoff-Nanoröhrenfasern ihren Weg in die Lunge finden können, was ein Risiko für die Krebsentwicklung darstellt.