Actuador basado en las células musculares cardíacas y auto-estabilizante Biorobot - Parte 2

Neerajha Nagarajan; Merrel T. Holley; Christian Danielson; Kidong Park; Pinar Zorlutuna

doi:10.3791/55643

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Artículo de método

Actuador basado en las células musculares cardíacas y auto-estabilizante Biorobot - Parte 2

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DOI:

10.3791/55643

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9 de mayo de 2017

Neerajha Nagarajan^*¹ , Merrel T. Holley^*² , Christian Danielson² , Kidong Park^*² , Pinar Zorlutuna^*¹

¹Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Bioengineering Graduate Program, University of Notre Dame, ²Division of Electrical and Computer Engineering, Louisiana State University

^* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

En este estudio, un actuador biológico y un biorobot de natación autoestabilizante con brazos cantilever funcionalizados elastoméricos se siembran con cardiomiocitos, se cultivan y se caracterizan por sus propiedades bioquímicas y biomecánicas a lo largo del tiempo.

Resumen

En los últimos años se han desarrollado dispositivos híbridos que consisten en una célula viva o un componente de tejido integrado con una columna vertebral mecánica sintética. Estos dispositivos, llamados biorobots, son accionados únicamente por la fuerza generada por la actividad contráctil del componente vivo y, debido a sus muchas ventajas inherentes, podrían ser una alternativa a los robots convencionales totalmente artificiales. Aquí describimos los métodos para sembrar y caracterizar un actuador biológico y un biorobot que fue diseñado, fabricado y funcionalizado en la primera parte de este artículo en dos partes. El actuador biológico fabricado y los dispositivos biorobot compuestos de una base de polidimetilsiloxano (PDMS) y un cantilever de película delgada se funcionalizaron para la fijación celular con fibronectina. Después de la funcionalización, los cardiomiocitos neonatales de rata se sembraron en el brazo en voladizo PDMS a una alta densidad, dando como resultado una hoja de células confluentes. Los dispositivos se visualizaron todos los días y el movimiento del cantiSe analizaron los brazos de palanca. El segundo día después de la siembra observamos la flexión de los brazos en voladizo debido a las fuerzas ejercidas por las células durante las contracciones espontáneas. Tras el análisis cuantitativo de la flexión en voladizo, se observó un aumento gradual en el estrés superficial ejercido por las células a medida que maduraban con el tiempo. Del mismo modo, se observó el movimiento del biorobot debido a la actuación del brazo en voladizo PDMS, que actuó como una aleta. Tras la cuantificación de los perfiles de natación de los dispositivos, se observaron varios modos de propulsión, que fueron influenciados por el ángulo de reposo de la aleta. La dirección del movimiento y la frecuencia de golpeo también fueron determinadas por el ángulo de reposo de la aleta, y se observó una velocidad de nadada máxima de 142 μm / s. En este manuscrito, se describe el procedimiento para poblar los dispositivos fabricados con cardiomiocitos, así como para la evaluación del actuador biológico y la actividad biorobot.

Introducción

Los biorobots son dispositivos basados en células vivas que se incorporan dentro de una columna vertebral mecánica que normalmente está compuesta de materiales blandos y elásticos, tales como PDMS o hidrogeles ¹ . Las células sufren contracciones rítmicas, espontáneamente o en respuesta a estímulos, y por lo tanto funcionan como un actuador. La energía generada por la contracción celular impulsa a varios biorobots. Las células del corazón de los mamíferos (cardiomiocitos) y las células del músculo esquelético se usan a menudo para el accionamiento del biorobot debido a sus propiedades contráctiles. Aparte de los cardiomiocitos y las células ....