Actuador basado en células musculares cardíacas y biorobot autoestabilizante - PARTE 1

Resumen

En este estudio en dos partes, un actuador biológico se desarrolló utilizando polidimetilsiloxano (PDMS) altamente flexible y cantilevers vivos células musculares (cardiomiocitos), y se caracteriza. El actuador biológico se incorporó con una base hecha de materiales PDMS modificados para construir un biorobot de natación autoestabilizante.

Resumen

Las máquinas biológicas, a menudo denominadas biorobots, son dispositivos vivos basados ​​en células o tejidos que se alimentan únicamente por la actividad contráctil de componentes vivos. Debido a sus ventajas inherentes, los biorobots están ganando interés como alternativas a los robots tradicionales totalmente artificiales. Varios estudios se han centrado en aprovechar el poder de los actuadores biológicos, pero sólo recientemente los estudios han caracterizado cuantitativamente el rendimiento de los biorobots y estudiado su geometría para mejorar la funcionalidad y la eficiencia. Aquí, demostramos el desarrollo de un biorobot de natación auto-estabilizante que puede mantener su tono, profundidad y rollo sin intervención externa. El diseño y fabricación del andamio PDMS para el actuador biológico y biorobot seguido de la funcionalización con fibronectina se describe en esta primera parte. En la segunda parte de este artículo en dos partes, detallamos la incorporación de cardiomiocitos y caracterizarAtor y biorobot. Ambos incorporan una base y cola (voladizo) que producen propulsión basada en aletas. La cola se construye con técnicas de litografía blanda utilizando PDMS y grabado láser. Después de incorporar la cola con la base del dispositivo, se funda con una proteína adhesiva celular y se siembra confluentemente con cardiomiocitos. La base del actuador biológico consiste en un bloque PDMS sólido con una perla de vidrio central (actúa como un peso). La base del biorobot consiste en dos materiales compuestos de PDMS, Ni-PDMS y microbalón-PDMS (MB-PDMS). El polvo de níquel (en Ni-PDMS) permite el control magnético del biorobot durante la siembra de las células y la estabilidad durante la locomoción. Los microbolones (en MB-PDMS) disminuyen la densidad de MB-PDMS, y permiten que el biorobot flote y nade constantemente. El uso de estos dos materiales con diferentes densidades de masa permitió un control preciso sobre la distribución del peso para asegurar una fuerza de restauración positiva en cualquier ángulo del biorobot. Esta técnicaProduce un biorobot de natación auto-estabilizante controlado magnéticamente.

Introducción

Actuadores biológicos y biorobots están siendo estudiados activamente para proporcionar una alternativa a la robótica convencional para numerosas aplicaciones. Biorobots que caminan ^{5 , 6 , 7 , 8} , nadan ^{1 , 2 , 3 , 4} , bomba ^{9 , 10} , o agarre ^{11 , 12 , 13 <....}

Protocolo

1. Calcular masa de PDMS y aditivos

1. Utilice la siguiente ecuación para encontrar la masa de PDMS necesaria para alturas específicas en los procedimientos siguientes,
   M = ρ * V = ρ * Altura * Área (1),
   Donde 'Altura' es la altura de la capa, 'Área' es el área de un contenedor en el que se curará el PDMS, 'ρ' es la densidad de la mezcla y 'V' es el volumen.
   NOTA: Las densidades para los cálculos de altura son PDMS = 0,965 g / mL, Ni-PDMS = 1,639 g / mL, MB-PDMS = 0,648 g / mL.
2. Utilice la ecuación (1) para estimar la masa de PDMS necesaria, para un contenedor dado, para obtener una altura específi....

Resultados

El actuador biológico y el biorobot tienen procesos de fabricación muy similares, ya que el biorobot es una extensión natural del actuador biológico ( Figura 1 ). El actuador biológico se desarrolló primero para establecer las técnicas requeridas para el biorobot, para analizar la fuerza generada por las células y para caracterizar la maduración celular mecánica y bioquímicamente, ambas se describen en detalle en la Parte 2 de este artículo en dos partes como Así como en.......

Discusión

Varios mecanismos de locomoción se pueden encontrar entre los nadadores acuáticos ¹⁶ . El mecanismo de locomoción del biorobot en este estudio utiliza la locomoción basada en las aletas, específicamente la locomoción ostraciiforme. Los nadadores de Ostraciiform se propulsan moviendo una cola (cantilever) y teniendo un cuerpo rígido (capa de la base) ¹⁶ . Los peces como el boxfish y cowfish utilizan este tipo de locomoción. Los nadadores ostraciiformes son típicamente lento.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Polidimetilsiloxano (PDMS)	Dow Corning	184 sil elast kit  0.5kg	Sylgard 184
Polvo de níquel	Sigma-Aldrich	266981-100G
Microglobos fenólicos US	Composites	BJO-0930
Obleas de			4 pulgadas de diámetro
PWM101 hilandera			Hiladora
Fotorreresistencia positiva (S1808)	Dow Corning	DEM-10018197
			calefactora
Cámara
M206 horno de convección mecánico	Horno de convección
Grabador láser	Sistema láser universal	VLS2.30	Utiliza un 10 W, 10.6 y micro; m de longitud de onda, CO2 Láser
sistemas láser	universales Sistema láser		Aplicación para ejecutar el programa de análisis numérico VLS 2.30
Matlab	MathWorks
Cinta adhesiva	Scotch Brand Scotch Brand
Perlas de vidrio sólido	Sigma-Aldrich	Z265926-1EA	Vidrio sódico-cálcico, diámetro 3 mm
Báscula	Mettler Toledo	EL303
BD-20AC Laboratorio Tratamiento de Corona	Productos Electrotécnicos	12051A	Descargador de Corona
Baño Ultrasónico 1.9 L	Fisher Scientific	15-337-402	40 kHz Transductor industrial
Fibronectina de plasma bovino	Sigma-Aldrich	F1141
Dulbecco' s Tampón de fosfato (PBS)	Sigma-Aldrich	D1408-100ML
Dulbecco' s Modified Eagle Medium (DMEM)	Hyclone Laboratories	16750-074	Con 4500 mg/L de glucosa, 4,0 mM de L-glutamina y 110 mg/L de piruvato de sodio.
Suero fetal III	Hyclone Industries, GE	16777-240	Suero fetal bovino
Penicilina-G sal sódica	Sigma-Aldrich	P3032

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