Robot suave bioinspirado con microelectrodos incorporados

Nuestro nuevo método de fabricación de actuadores bioinspirados controlados eléctricamente no sólo puede superar la limitación del actuador biohíbrido existente, sino también mejorar fuertemente el rendimiento del actuador basado en células. Usando esta técnica de bajo costo y fácil de manejar, el comportamiento de accionamiento del robot blando bioinspirado se puede controlar y sintonizar que conduce a la estimulación en tiempo real. Nuestro nuevo método puede extenderse potencialmente hacia la aplicación de un dispositivo electrónico flexible implantable con alimentación inalámbrica para la regeneración cardíaca.

Este método también puede servir como una nueva plataforma para el estudio de la estimulación eléctrica local de construcciones latentes celulares. Comience por disolver 80 miligramos de GelMA en cuatro mililitros del PBS de Dulbecco. A continuación, agregue 20 miligramos de nanotubos de carbono multipared funcionalizados de ácido carboxílico y sonice la solución durante una hora a 660 miliatros y 100 vatios.

Para crear PEGDA micropatrnados, coloque una capa de cinta transparente comercial de 50 micrómetros de espesor en un portaobjetos de vidrio recubierto con TMSPMA, vierta 15 microlitros de 20% de solución de prepolímero PEGDA encima de la corredera de vidrio recubierto y, a continuación, cúbralo con microelectrodos de oro. Coloque la primera fotomasca en la parte superior de la corredera y exponga toda la construcción a 200 vatios de luz ultravioleta a 800 milivatios de intensidad y una distancia de ocho centímetros durante 110 segundos. Al final de la exposición UV, coloque el portaobjetos de vidrio en el PBS de Dulbecco.

Añada una caída de 20 microlitros de la solución de prepolímero GelMA de nanotubos de carbono entre los espaciadores. Después de cinco a 10 minutos, desenganche cuidadosamente el hidrogel PEGDA micropatrnado y los microelectrodos de oro del sustrato de vidrio sin recubrimiento y coloque el portaobjetos boca abajo sobre los espaciadores. Fije la diapositiva a la placa con cinta adhesiva y voltee todo el conjunto al revés.

Coloque la segunda fotomasca en el portaobjetos de vidrio y exponga el conjunto a la luz UV como se demostró durante 200 segundos. Al final de la exposición, lave el andamio una vez con PBS fresco de Dulbecco y una vez con el medio de cultivo celular complementado con un 10% de suero bovino fetal. A continuación, coloque el andamio en un medio fresco en un nuevo plato de Petri en una incubadora de 37 grados Celsius durante la noche.

Después del aislamiento de cardiomiocitos de corazones de ratas neonatales de dos días de edad de acuerdo con los protocolos estándar, resuspendir las células en un 1,95 veces 10 a las seis células por mililitro de concentración media cardíaca y sembrar las células en el robot blando fabricado en gotas. Cuando toda la superficie del dispositivo haya sido cubierta, incubar las muestras a 37 grados celsius durante cinco días, reemplazando el sobrenadante del cultivo por cinco mililitros de medio de cultivo celular fresco complementado con 2% de suero bovino fetal y 1%L-glutamina el primer y el segundo día después de la siembra. Para evaluar el latido espontáneo de los cardiomiocitos en el robot blando, a partir del tercer día de cultivo, coloque el robot en una etapa de microscopio óptico invertido y utilice un software de captura de vídeo y objetivo 5X o 10X para imaginar la actividad cardiomiocitos durante 30 segundos a 20 fotogramas por segundo.

En el quinto día, utilice un portaobjetos para levantar suavemente las membranas en el borde. Usando un PDMS espaciado de tres centímetros como soporte, coloque dos electrodos de varilla de carbono con alambre de platino a un plato Petri de seis centímetros lleno de medio cardíaco y transfiera cuidadosamente el robot suave al plato. A continuación, aplique una forma de onda cuadrada con un ancho de pulso de 50 milisegundos, un valor de desplazamiento de corriente directa de cero voltios y una amplitud de voltaje máximo entre 0,5 y seis voltios.

Para la estimulación eléctrica con los microelectrodos de oro, después de la fabricación de construcción multicapa, utilice pasta de plata para conectar dos cables de cobre a los electrodos de oro a través de un puerto cuadrado externo y cubrir la pasta con una fina capa de PDMS precurada a 80 grados Celsius durante cinco minutos. A continuación, coloque la muestra en una placa caliente a 45 grados Celsius durante cinco horas para cruzar completamente el PDMS. Después de sembrar cardiomiocito en los cables conectados robot suave, aplicar un estímulo eléctrico de onda cuadrada en los cables de cobre con el valor de desplazamiento de corriente directa de un voltio, una amplitud de voltaje pico entre 1,5 y cinco voltios, y frecuencias de 0,5, uno y dos hercios respectivamente.

Estos robots blandos fueron diseñados biomimicking los patrones de dos animales acuáticos diferentes, la estrella de mar y el mantarraya. Las capas de gelMA de nanotubos de carbono de semillas de cardiomiocitos de cardiomioide mostraron diferentes comportamientos de latido de acuerdo con las distancias del patrón. Para evitar el rodamiento completo irreversible del robot blando durante la paliza dinámica de los cardiomiocitos, el espaciado de patrón de la capa de soporte de hidrogel PEGDA se optimizó a 300 micrómetros.

En estos marcos adquiridos a partir de grabaciones de contracción, un actuador en forma de mantarraya se puede observar claramente doblando las alas como se esperaba con la cola equilibrando la estructura enderezando cuando las alas se cernían robustamente en el medio. Algunas de las membranas demuestran un movimiento rotatorio mientras se contraen debido a nanotubos de carbono micropatrnados desalineados GelMA e hidrogeles PEGDA. El tejido cardíaco en patrones de PEGDA micropatrnados y nanotubos de carbono GelMA también se puede visualizar mediante imágenes confocales de F-actin DAPI.

La alineación parcial de sarcomos uniaxiales y las estructuras de sarcomere interconectadas también se pueden observar en las áreas modeladas mediante microscopía confocal, así como estructuras de sarcomere bien interconectadas de tejidos cardíacos situados directamente por encima de los microelectrodos. La tensión del umbral de excitación es diferente en diferentes frecuencias de estímulo eléctrico a través del electrodo de carbono externo o cable de cobre conectado al electrodo de oro. El proceso de reticulación UV de PEGDA y el micropatríno GelMA mediante fotomasca es importante para obtener microelectrodos de oro de alta calidad que incorporan multicapas cubiertas.

La bioimpresión se puede utilizar para fabricar hidrogel micropatrón y electrodo flexible. Utilizamos la bioimpresión para obtener un robot blando geométricamente bien definido de una manera rápida, económica y de alto rendimiento. Nuestro método puede contribuir potencialmente al desarrollo de la estimulación eléctrica inalámbrica del robot blando a través de la integración de un dispositivo electrónico flexible directamente en el andamio a base de hidrogel.

El nanotubo de carbono y los disolventes orgánicos siempre deben manipularse dentro de una campana, ya que las fibras de nanotubos de carbono pueden llegar a los pulmones y suponen un riesgo para el desarrollo del cáncer.