מאמר שיטה

ביוהשראת רובוט רך עם מיקרואלקטרודות משולבות

DOI:

10.3791/60717

⸱

28 בפברואר 2020

 ,  ,  , 
1Division of Engineering in Medicine, Department of Medicine, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, 2School of Medicine, Jiangsu University, 3Tech4Health and Neuroscience Institutes, NYU Langone Health, 4Department of Electronics and Telecommunication, Politecnico di Torino

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הגרדום הביו-השראה מפוברק על ידי טכניקת פוטוליגרפיה רכה תוך שימוש בהידרוג'לים חזקים ומוליכי חשמל מכנית. ההידרוטים מיקרותבנית מספקים יישור תאים כווני באמצעות הקרדיוציט, והתוצאה היא כיוון הגשמה. מיקרואלקטרודות גמיש משולבים גם לתוך הפיגום כדי להביא ישור חשמליים לרקמת לב מתוך הגשמה עצמית.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ביוהשראת מערכות רובוטיות רכות המחחקות אורגניזמים חיים באמצעות רקמת שרירים מהונדסים ו-bioaterials הם מהפכה את הפרדיגמה ביורירובוטיקה הנוכחית, במיוחד במחקר ביו-רפואי. משחזר דינמיקה מלאכותית של חיים כמו המציאות היא חיונית למערכת רובוטית. עם זאת, השליטה המדויקת והכיוונון של התנהגות האקטואציה עדיין מייצגת את אחד האתגרים העיקריים של מערכות רובוטיות רכות מודרניות. שיטה זו מתארת בעלות נמוכה, מדרגי מאוד, קל לשימוש הליך להמציא רובוט רך בשליטה חשמלית עם תנועות כמו חיים מופעל ונשלט על ידי התכווצות של רקמת שריר הלב על עוקץ מיקרותבנית . בדומה לפיגום הידרוג'ל השימוש בשיטות פוטוליגרפיה רכות מאפשר לשלב בהצלחה מספר רב של רכיבים במערכת הרובוטית הרכה, כולל הידרו-בדוגמת הידרוג'ל המבוסס על פיגומים עם צינוריות פחמן (CNTs) (CNT-GelMA), פולי (אתילן גליקול) דיאקרילי (PEGDA), מיקרואלקטרודות (Au) גמישות, ורקמת שריר הלב. בפרט, יישור הידרוג'ל ומיקרותבניות נועדו לחקות את מבנה השריר והסחוס של קרן העוקץ. מוליך חשמלית CNT-GelMA הידרוג'ל משמש כפיגום תא המשפר את ההבשלה והתכווצות התנהגות של קרדיומיקוציטים, בעוד ההידרוג'ל חזק מכנית מספק תמיכה כמו סחוס מבניים של הרובוט הרך כולו. כדי להתגבר על האופי הקשה והפריך של המיקרואלקטרודות המבוססות על מתכת, עיצבנו דפוס סרפנטיין בעל גמישות גבוהה והוא יכול להימנע מלעקוף את הדינמיקה המנצחת של הקרדיוציטים. המיקרואלקטרודות הגמישות המשולבת של Au מספקות גירוי חשמלי באמצעות הרובוט הרך, ובכך קל יותר לשלוט בהתנהגות הכיווץ של רקמת הלב.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המדינה המודרנית של רובוטים רכים יכולים לחקות את המבנים ההירארכיים והדינמיקה של שרירים של אורגניזמים חיים רבים, כגון מדוזה1,2, עוקץ ריי2, תמנון3, חיידקים4, זרע5. חיקוי הדינמיקה והארכיטקטורה של מערכות טבעיות מציעה הופעות גבוהות יותר במונחים של יעילות אנרגטית ומבנית6. זה קשור ביסודה לטבע הרך של רקמת הטבע (למשל, רקמת העור או השריר עם מודולוס של צעירים בין 104על 10הרשות) אשר מאפשר דרגות גבוהות יותר של החופש דפורמציה מעולה והסתגלות כאשר לעומת התקני הנדסה סטנדרטית (למשל, מודולוס של צעירים בדרך כלל בין 109-עד10הרשות שריר הלב מבוסס מפעילים רכים, במיוחד, להראות יעילות אנרגיה מעולה בשל הגשמה עצמית שלהם, כמו גם הפוטנציאל שלהם עבור שינוי אוטומטי והתחדשות כאשר לעומת מערכת רובוטית מבוססת מכנית7. עם זאת, הייצור של רובוטים רכים הוא מאתגר בשל הצורך לשלב רכיבים שונים עם תכונות פיזיות, ביולוגיות ומכניות שונות לתוך מערכת אחת. לדוגמה, מערכות סינטתיים מהונדסים צריך להיות משולבים עם מערכות ביולוגיות חיים, לא רק לספק להם תמיכה מבנית אלא גם השפעה ומודולציה התנהגות הגשמה שלהם. בנוסף, שיטות מיקרו בייצור רבות דורשות תהליכים קשים/ציטוטוקסיים וכימיקלים המפחיתים את הכדאיות והתפקוד של כל מרכיב חי. לכן, גישות חדשות נחוצות כדי לשפר את הפונקציונליות של הרובוטים הרכים ולשלוט ולווסת את התנהגותם.

כדי לשלב בהצלחה את המרכיבים החיים עם הכדאיות הטובה, הגרדום המבוסס על הידרוג'ל הוא חומר מצוין ליצירת גוף של רובוט רך. מאפיינים פיזיים ומכניים של הידרוג'ל ניתן בקלות לכוונן כדי ליצור מיקרו סביבות עבור מרכיבים חיים כגון רקמות שריר8,9. כמו כן, היא יכולה לאמץ בקלות טכניקות מיקרו-בייצור שונות, והתוצאה היא יצירת מבנים הירארכיים עם אמינות גבוהה1,2,10. מכשירים אלקטרוניים גמישים ניתן לשלב לתוך הרובוט הרך כדי לשלוט על התנהגותו עם גירוי חשמלי. לדוגמה, שיטות אלקטרואופטיקה כדי להנדס תאים אלקטרוגניים (למשל, קרדיוציטים), אשר מראים הפעלה אלקטרולוגית התלויה באור, נעשה שימוש לפיתוח polydiמתיל siloxane (PDMS) מבוסס רנטגן רובוטית רך מונחה על ידי אור כי היה מסוגל לשחזר את התנועה undulatory של הדג מבחנה2. למרות טכניקות אלקטרואופטיקה הראו ישור מעולה, העבודה המוצגת משתמשת גירוי חשמלי, שיטת סימולציה קונבנציונאלי ומסורתי. הסיבה לכך היא גירוי חשמלי באמצעות מיקרואלקטרודות גמיש הוא קל ופשוט לעומת טכניקות אלקטרואופטיקה, אשר דורשים תהליכי פיתוח נרחבים11. השימוש במכשירים אלקטרוניים גמישים יכול לאפשר גירוי לטווח ארוך ותהליכי ייצור סטנדרטיים/פשוטים וכן תאימות ביולוגית ותכונות פיזיות ומכניות12,13.

כאן, אנו מציגים שיטה חדשנית כדי להמציא רובוט רך בהשראת השראה, מואבקים על ידי הכאתו של רקמת שריר הלב הנדסה ונשלט על ידי גירוי חשמלי באמצעות מיקרואלקטרודות גמיש מוטבע או. הרובוט הרך נועד לחקות את מבנה השריר ואת הסחוס של קרן העוקץ. קרן העוקץ היא אורגניזם עם קל יחסית לחקות מבנה ותנועה בהשוואה למינים אחרים בשחייה. השרירים מחדש בתוך מבחנה על ידי זריעת הקרדיוציטים על גבי מיקרופי הידרוג'ל מוליך חשמלית. כפי שדווח בעבר, שילוב חלקיקי חלקיקים מוליכי חשמל כגון cnt ב-gelma הידרוג'ל לא רק משפר את הצימוד החשמלי של רקמת הלב, אלא גם משרה מעולה באדריכלות רקמות מבחנה וסידור8,9. מפרקי הסחוס הם לאחר מכן מחקה באמצעות דפוס חזק מכני PEGDA הידרוג'ל שפועל כמו מצע חזק מכנית של המערכת כולה. מיקרואלקטרודות גמישות של Au עם דפוס הסרפנטיין מוטבעות בתבנית PEGDA כדי לגרות את רקמת הלב באופן מקומי וחשמלית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה נעשה בהתאמה קפדנית עם ההמלצות במדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה של המכון הלאומי לבריאות. הפרוטוקול אושר על ידי הוועדה המוסדית לטיפול בבעלי חיים (IACUC) של בריגהם וביה לנשים.

1. הסינתזה של גלמה

  1. התמוססות 10 גרם של ג'לטין ב 100 mL של מלוחים פוספט באגירה של Dulbecco (DPBS) באמצעות מערבב מגנטי ב 50 ° c.
  2. הוסף 8 מ ל של מתיונין אנהידריד לאט בזמן ערבוב פתרון prepolymer ג'לטין ב 50 ° c עבור 2 h. לדלל את התמיסה הגיב הג עם DPBS מחומם ב 50 ° c.
  3. להעביר את הפתרון מדולל לתוך ממברנות דיאליזה (משקל מולקולרי הפסקת = 12 – 14 kDa) ולמקם אותם לתוך המים מוכי (DI). לבצע דיאליזה ב 40 ° c עבור כשבוע 1.
  4. לסנן את הפתרון GelMA הprepolymer באמצעות מסנן סטרילי (גודל הנקבוביות = 0.22 μm) ולהעביר 25 או 30 מ ל של הפתרון לתוך 50 mL צינורות וחנות ב-80 ° c עבור 2 ימים.
  5. להקפיא להתייבש הפתרון הקפוא GelMA הקפואים באמצעות מייבש ההקפאה 5 ימים.

2. הכנת תמיסת פולי (אתילן גליקול) דיאטתיים (PEGDA)

  1. התמוססות 200 mg (20% מהפתרון הכולל) של PEGDA (MW = 1,000) עם 5 מ"ג (0.5% של הפתרון הכולל) של 2-הידרוxy-4-(2-הידרוקסיטורוקסי) -2-methylpropiophenone (צילום-יוזם, PI) ב 1 מ ל של DPBS.
  2. מודטה את הפתרון prepolymer ב 80 ° צ' עבור 5 דקות.

3. הכנת תמיסת מניות CNT מגולוון

  1. התמוססות 80 מ"ג של GelMA (משמש בתור biosurfactant) ב 4 מ ל של DPBS ולאחר מכן להוסיף 20 מ"ג של COOH פונקציונליזציה פחמן מרובה קירות (MWCNTs) לתוך הפתרון הפרפולימר GelMA.
  2. Sonicate הפתרון של MWCNT-לאדן GelMA עבור 1 h (0.66 Hz, 100 ואט).
    הערה: במהלך התהליך הsonication, יש לטבול את הפתרון באמבט מים ב-~ 15 ° c כדי למנוע התאיידות של הממס בשל עליית הטמפרטורה.

4. הכנת 1 מ"ג/mL CNT המכיל 5% הפתרון GelMA prepolymer

  1. לפזר 50 מ"ג של GelMA ו 5 מ"ג (0.5% של הפתרון הכולל) של PI ב 0.8 mL של DPBS ב 80 ° צ' עבור 10 דקות.
  2. הוסף 0.2 mL של פתרון מניות CNT מוכן (שלב 3). מערבולת הפתרון ב 80 ° c עבור 10 דקות.

5. הכנה של 3-(טריתמאוקסיסילקסיל) פרופיאל מתיאקריל (TMSPMA) שקופית זכוכית מצופה

  1. לשטוף את שקופיות זכוכית (עובי = 1 מ"מ, גודל = 5.08 ס"מ x 7.62 ס"מ) עם אתנול טהור.
  2. מחסנית את השקופיות נקי אנכית בגביע 250 mL ולהפיץ 3 מ ל של TMSPMA על גבי אותם באמצעות מזרק. לכסות את הגביע עם רדיד אלומיניום כדי למנוע אידוי של TMSPMA.
  3. מודג את השקופיות בתנור של 80 ° c ליום אחד.
  4. לרחוץ את שקופיות זכוכית מצופה ידי לטבול אותם לתוך אתנול טהור, ואז יבש.
  5. אחסן את שקופיות הזכוכית המצופות העטופות ברדיד אלומיניום בטמפרטורת החדר (RT).
    הערה: נסה למזער את הנגיעה במשטחי הזכוכית המצופים TMSPMA.

6. ייצור המיקרואלקטרודות הגמישות של ה-Au

  1. עיצוב מסיכת צל באמצעות תכנון בעזרת מחשב (קובץ משלים 3).
  2. הרכיבו ורכשו מסכת צל.
  3. שטוף את שקופית הזכוכית (עובי = 1 מ"מ, גודל = 3 ס מ x 4 ס מ) עם אצטון ויבש עם אקדח אוויר דחוס.
  4. הצמד את מסיכת הצל אל מצעים הזכוכית באמצעות קלטת כפולה, לאחר מכן לשים אותם על המאייד של קרן E ולחכות עד הלחץ הקאמרי מגיע לפחות 10-6 Torr.
    הערה: שתי פיסות הקלטת הונחו באופן ידני על התמיכה במרחק קצר מספיק כדי לארח את הזכוכית והגדולה מספיק כדי להתאים לתבנית כולה. שלב זה לוקח בערך 45 – 60 דקות.
  5. הפקדה של 200 ננומטר שכבה או עבה על ידי E-קרן מאייד (g., עם דנטון EE-4, ואקום = 10-6 Torr, כוח = 2.6%, rate = 2 Å/s) וחותכים את מיקרואלקטרודות מפוברק באמצעות מכונת מסור (אלקטרודות גודל = 7.38 mm x 8.9 mm x 200 nm).

7. הייצור של הידרו-בדוגמת מיקרואלקטרודה משולבת

הערה: התוצאה של הליך זה היא ממברנה שבה מיקרותבנית PEGDA הידרוג'ל נמצאת בשכבה התחתונה, מיקרוגלוס CNT-GelMA הידרוג'ל הוא למעלה, ו-Au מיקרואלקטרודות הן בין שתי השכבות. תצורה זו מבטיחה גמישות טובה יותר לאלקטרודה ומגבילה את הסיכון לשבירה.

  1. עיצוב והפקוד של שני פוגלס כדי ליצור את המיקרותבנית PEGDA (1st הפושאול) ו-cnt-gelma הידרוג'ל(2 מפושאול) שכבות. ראה קובץ משלים 2 – 3. ניתן לבצע את העיצוב באמצעות תוכנת CAD.
    הערה: ראה איור 2ב', א.
  2. מקום 50 יקרומטר מרווחים שנעשו על ידי הערמה שכבה אחת של קלטת בלתי נראה מסחרי (עובי: 50 יקרומטר) על זכוכית מצופה tmspma. יוצקים 15 μL של 20% הפתרון הקדם-פולימרי PEGDA על גבי זכוכית מצופה TMSPMA, ולאחר מכן לכסות עם מיקרואלקטרודה זהב. מניחים את 1st לבקש את שקופית הזכוכית (מיקרותבנית PEGDA) על גבי מיקרואלקטרודה זהב לחשוף את המבנה כולו כדי אור UV (200 W מרקורי אדים קצר מנורה קשת עם 320 – 390 מסנן nm) ב 800 mW של עוצמה ו 8 ס"מ מרחק עבור 110 s.
    הערה: ראה איור 1א.
  3. הוסף DPBS להקיף את שקופית הזכוכית ולנתק את המיקרו בדוגמת PEGDA הידרוג'ל יחד עם Au מיקרואלקטרודות מתוך המצע זכוכית ללא ציפוי בזהירות לאחר 5 – 10 דקות כדי לקבל את שקופית הזכוכית כי יש מיקרותבנית PEGDA הידרוג'ל עם Au מיקרואלקטרודות.
    הערה: ראה איור 1ב. בשל ציפוי TMSPMA, המבנה מועבר המצע זכוכית לא מצופה ל TMSPMA מצופה אחד. נתק בזהירות מכיוון ש-Au מיקרואלקטרודות יכול להישבר בקלות במהלך שלב זה (איור 3).
  4. מקום 100 יקרומטר מרווחים שנעשו על ידי הערמה שתי שכבות של סרט מסחרי שקוף (עובי = 50 יקרומטר) על החלק התחתון של צלחת פטרי. הפקדה טיפה של 20 μL CNT-GelMA הפתרון הקדם בין החללים ולאחר מכן להפוך את שקופית הזכוכית שהתקבלו 7.3 ולתקן אותו על הצלחת עם דבק.
  5. סובב את המכשיר הפוך ומניחיםאת 2 הפושאל על החלק העליון של מגלשת הזכוכית. לחשוף תחת אור UV ב 800 mW של עוצמה ו 8 ס"מ מרחק עבור 200 s.
    הערה: ראה איור 1ג. היישור של המסיכה השניה חשוב.
  6. שטוף את הפיגום המתקבל עם DPBS ועם מדיום תרבות התאים הכולל 10% סרום של שור עוברי (FBS).
  7. השאירו אותם בלילה בחממה של 37 ° c לפני שזורעות את התאים.

8. בידוד והתרבות של העכנוציטים

  1. לבודד את הלבבות מחולדות בן יומיים של מג-דאולי בעקבות פרוטוקולים שאושרו על ידי ועדת המכון על טיפול בעלי חיים8.
  2. שים את חתיכות הלב על שייקר לילה (כ 16 h) ב 0.05% טריפסין ללא EDTA ב HBSS בחדר קר.
  3. לאסוף את חתיכות הלב עם אקדח פיפטה ולמזער את כמות טריפסין, ואז לשים אותם בצינור 50 mL עם 10 מ ל של מדיה לב חם (10% FBS, 1% P/S, 1% L-גלוטמין).
  4. מערבולת איטית (~ 60 rpm) באמבט מים בגודל 37 ° c במשך 7 דקות. הסר את המדיה בזהירות מהצינור עם מנקז 10 מ ל והשאר את חתיכות הלב בצינור.
  5. הוסף 7 מ ל של 0.1% קולגן מסוג 2 ב HBSS ו מערבולת באמבט 37 מעלות צלזיוס למים עבור 10 דקות.
  6. מערבבים עם מיכל הפיפטה 10 מ ג 10x בעדינות כדי לשבש את חתיכות הלב. הסירו את המדיה מהצינור באמצעות מנקז של 1 מ ל.
  7. הוסף 10 מ ל של 0.1% הקולגן מסוג 2 ב HBSS ו מערבולת במהירות (~ 120 – 180 סל ד) ב 37 באמבט מים של ° c עבור 10 דקות, לאחר מכן לבדוק אם חתיכות הלב הם להתמוסס.
  8. לערבב עם הצינורות 10 מ ל, ואז לחזור עם הצינורות 1 מ ל לשבור את חתיכות הלב האחרון.
  9. לאחר הפתרון נראה הומוגנית, מקום מסננת תא 70 יקרומטר על שפופרת חדש 50 ml ו פיפטה הפתרון 1 mL בכל פעם על מסננת.
  10. צנטריפוגה את הפתרון לתאי הלב ב 180 x g עבור 5 דקות ב 37 ° c.
    הערה: אם עדיין יש כמה פיסות לב או ריר שלא נמס, חזור על שלבים 8.7 – 8.9 שוב.
  11. הסר בזהירות את כל הנוזל מעל הגלולה התא והשהה מחדש את התאים 2 מ ל של מדיה קרדיולוגית.
  12. הוסף 2 מ ל של מדיה לב מהקיר הצינור בזהירות כדי להשעות את התאים ולהימנע שבירת אותם.
  13. הוסף את התאים המושהים לתוך T175 תרמוס באמצעות מדיית לב חמה בירידה. שימו את הבקבוקון באינקובטור של 37 ° c בשביל 1 כדי לאפשר לפיברוהפיצוצים להצמיד לתחתית.
    הערה: בשלב הציפוי הקדם, הפיברויוציטים הקרדיולוגי מתחברים לבקבוקון בזמן שהקרדיותאי יישאר במדיום ההשעיה.
  14. לאסוף את המדיה מתוך הבקבוקון המכיל את הקרדיוציטים ולשים אותו לתוך צינור 50 mL.
  15. לספור את התאים, ואז צנטריפוגה ב 260 x g עבור 5 דקות ב 37 ° c.
  16. השהה מחדש וזרע את התאים על גבי הרובוט הרך מפוברק בשלב 7. יוצקים נפח ספציפי של מדיה קרדיולוגית עם הקרדיוציטים בריכוז של 1.95 × 106 תא/mL על ידי ירידה על פני השטח כולו של המכשיר.
  17. מודיית את הדגימות ב 37 ° c ולשנות את המדיה עם 5 מדיה תרבותית של תאים mL עם 2% FBS ו 1% L-גלוטמין ביום הראשון והשני לאחר זריעה. שנה את המדיה בכל פעם שהצבע של המדיה משתנה.

9. צביעת תאים לניתוח יישור

  1. הסר את המדיה ושטוף עם DPBS עבור 5 דקות ב-RT.
  2. תקן את התאים באמצעות 4% פאראמפורמלדהיד (בכיוון הבית) עבור 20 דקות at RT. לאחר מכן לשטוף עם DPBS עבור 5 דקות ב RT.
  3. דגירה את התאים עם 0.1% טריטון ב DPBS ב RT עבור 1 h. שטוף 3x עם PBS עבור 5 דקות ב RT.
  4. דגירה את התאים עם 10% סרום עז ב DPBS ב RT עבור 1 h.
  5. מודדת את התאים עם הנוגדן העיקרי (sarcomeric α-אקסין ו קונשין-43) ב 10% סרום עז ב DPBS ב 4 ° צ' עבור ~ 14 – 16 h.
  6. לשטוף 3x עם DPBS עבור 5 דקות ב RT. מודדת התאים עם הנוגדן המשני ב 10% סרום עז ב DPBS ב RT עבור 1 h.
  7. לשטוף את 3x עם DPBS עבור 5 דקות בשעה RT, ולאחר מכן כתמי תאים עם 4 ', 6-diamidino-2-פנילילינדול (DPBS) ב די מים (1:1000) עבור 10 דקות ב RT. לשטוף 3x עם DPBS עבור 5 דקות ב RT.
  8. לקחת תמונות הזריחה באמצעות סריקת לייזר הפוכה מיקרוסקופ קונפוקלית וקד.

10. בדיקות למפעיל והערכת התנהגות

  1. הכאה ספונטנית של הקרדיוציטים על הרובוט הרך
    1. דגירה מפעילים ביולוגיים בהשראת 37 ° c עבור 5 ימים ולרענן את המדיה ביום 1 ו 2 ובמידת הצורך (כלומר, כאשר התקשורת פונה צהוב). השתמש במיקרוסקופ אופטי הפוך כדי לצלם תמונות מדי יום (5x ו/או 10x). הקלטת תנועות תא באמצעות תוכנת לכידת וידאו על חלון חי של המיקרוסקופ עבור 30 s ב 20 מסגרות לשנייה (5x ו/או 10x) כאשר פעילות הקונאקטולה מתחיל (בדרך כלל סביב יום 3).
    2. ביום 5, לנתק את הקרומים על ידי הרמת בעדינות מהקצה עם שקופית כיסוי.
      הערה: אם התאים מראים התנהגות מנצחת חזקה, הקרום יהיה להתנתק בעצמם בשל הפעולה המכנית של הצירים.
  2. גירוי אותות חשמליים בצובר
    1. שימוש ב-PDMS ברוחב 3 ס מ כמחזיק, מוספית שני אלקטרודות פחמן עם כרטיס פלטינה (Pt) תיל בצלחת פטרי 6 ס מ מלא מדיה לב. לאחר מכן העבר בזהירות את הרובוט הרך לצלחת פטרי.
    2. להחיל צורת גל בריבוע עם 50 ms רוחב הדופק, היסט DC ערך 0 V, ומשרעת מתח שיא בין 0.5 ו 6 V. התדירות משתנה בין 0.5, 1.0 ו-2.0 Hz עם מחזור עבודה בין 2.5%, 5% ו-10%, בהתאמה. הקלט התכווצויות המקרו-שינוי באמצעות מצלמה זמינה מסחרית.
  3. גירוי חשמלי בעזרת המיקרואלקטרודות
    1. לאחר הייצור של או מיקרואלקטרודה משולבים פיגום הידרוג'ל רב שכבתי, לצרף שני חוטי נחושת ל-Au אלקטרודות למרות יציאה מרובעת חיצונית באמצעות הדבק כסף.
    2. לכסות את העיסה הכסוף עם שכבה דקה של PDMS precured ב 80 ° c עבור 5 דקות. ואז לשים את הדגימות על צלחת חמה ב 45 ° c עבור 5 h כדי להצליב באופן מלא את PDMS.
    3. לאחר זריעת הקרדיוציט, להחיל משבצת גל חשמלי מרובע על חוטי נחושת עם ערך היסט DC 1 V, משרעת מתח השיא בין 1.5 ו 5 V, ותדרים של 0.5, 1.0, 2.0 Hz בהתאמה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תרשים זרימה של השלבים לפיתוח הרובוט הביובהשראה Au מיקרואלקטרודה משולבת
המטרה של העיצוב הרובוט הרך היה לבנות קרום מסוגל ליישם תנועת שחייה עם מורכבות מינימלית. המבנה חייב להיות מסוגל להחזיק גמישות חזקה שוב ושוב לאורך זמן (על 1 הרץ) ולהיות מסוגל לשמור על צורתו תוך כדי להשיג מכות חזקות. על ידי באופן סלקטיבי צילום מקשר את הפולימר באמצעות פושאלי, אנו מפוברק פיגום מובנה באופן הירארכי המורכב של שכבת הידרוג PEGDA מיקרובדוגמת, שכבת מיקרו-מיקרואלקטרודות גמישה, ושכבת מיקרותבנית CNT-GelMA. תרשים סכמטי ותמונות אמית...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

באמצעות שיטה זו, הצלחנו להמציא בהצלחה באמצעות הרובוט הביואיד דמוי הדג בהשראת רקמת לב משולבת הגשמה עצמית על פיגומים מובנים רובת שכבות הנשלט על ידי Au מיקרואלקטרודות מוטבע. בשל שני שכבות שונות של הידרוג'ל מיקרותבנית מתוצרת PEGDA ו-CNT-GelMA, הגרדום הביוהשראה הראה יציבות מכנית טובה ויישור תאים אידיאלי והתבגרות. שכבת דפוס PEGDA, המשמשת כמפרק הסחוס של ארכיטקטורת השלד בקרן עוקץ, מספק תמיכה מכנית עבור הגוף הרובוט כולו. באופן ספציפי, היא שמרה על יציבות מכנית במהלך כיווץ רקמות לב והרפיה, תוך מתן מכות יעיל בשל יכולתה לשחרר את המתח...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הנייר הזה מומן על ידי המוסדות הלאומיים לבריאות (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), מכון המחקר בריגהם בדרך פרס ממציא חזק, ואת הפרס החדשני של פרויקט (19IPLOI34660079).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
250 מ"לPYREX1000-250CNEa
2-הידרוקסי-4'-(2-הידרוקסיאתוקסי)-2-מתילפרופיופנוןסיגמא-אולדריץ'410896
3-(טרימתוקסיליל)פרופיל מתאקרילטמיליפורM6514
37° אמבט מיםVWRW6M
4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI)Sigma-AldrichD9542
50 מ"ל צינורות צנטריפוגה חרוטייםFalcon14-959-49A
70 ומיקרו; m מסננת תאיםFalcon352350
80° אינקובטורVWR1370GM
Alexa Fluor 488 עז נגד עכבר IgG (H+L)InvitrogenA11029
Alexa Fluor 594 עז נגד ארנב IgG (H+L)InvitrogenA11037
Alexa Fluor 488 PhalloidinInvitrogenA12379
אנטיביוטיקה/אנטימיקוטיקה פתרוןThermoFisher Scientific15240062
Anti-Connexin 43/GJAI נוגדןAbcamab11370ארנב פוליקלונלי
אנטי-סרקומרי ואלפא;-אקטיניןAbcamab9465עכבר חד שבטי
מייבשי הקפאהשולחניים Labconco77500-00 K
ארון בטיחות ביולוגיתSterilgardA/B3
אלקטרודות מוט פחמןSGL Carbon Group6971105
צנטריפוגהEppendorf5804
חממת CO2Forma Scientific3110
קולגנאז, סוג II, אבקתGibco17-101-015
מיקרוסקופ קונפוקליZeissLSM 880
COOH ננו-צינורות פחמן פונקציונלייםNanoLabPD30L5-20-COOH
מכונת מסור חיתוךGiorgio TechnologyDAD-321
DMEM, גלוקוז גבוהGibco11-965-118
DPBS ללא סידן ומגנזיוםGibco14-190-144
מאייד קרן ECHA57367
סרום בקר עובריGibco10-437-028
ג'לטיןסיגמא-אולדריץ'G9391סוג B, 300 פריחה מעור חזיר
שקופית זכוכיתVWR48382-180
HBSS ללא סידן, מגנזיום או פנול אדוםGibco14-175-079
מיקרוסקופ אופטי הפוךאולימפוסCK40
פלטה חמה מגנטיתקורנינגPC-420
מתאקריליק אנהידרידSigma-Aldrich276695מכיל 2,000ppm טופנול A כמעכב
Nunc EasYFlask 175 ס"מ2ThermoFisher Scientific159910
OlicscopeSiglentSDS1052DL+
Paraformaldehyde תמיסה מימית -16%Electron Microscopy Sciences15710
PDMS SYLGARD 184Sigma-Aldrich761036
PhotomaskMini micro stencil inc
חוט פלטינהAlfa AesarAA43014BU
פוליאתילן גליקול דימתקרילטPolysciences Inc.15178-100
צינורות דיאליזה תאית מחודשתפישרברנד21-152-14
דבק אפוקסי כסףMG כימיקלים8330S
Stericup שחרור מהיר-GP מערכת סינון ואקום סטריליתMilliporeS2GPU02RE
אולטרה סוניקטורQsonicaQ500
מערכת ריפוי UVOmniCureS2000
מערבל מערבולתתעשייה מדעיתSI-0246A
מחולל צורות גלAgilent33500B
לעטוף רדיד אלומיניוםריינולדסN / A

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nawroth, J. C., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nature Biotechnology. 30 (8), 792-797 (2012).
  2. Park, S. J., et al. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
  3. Laschi, C., et al. Soft Robot Arm Inspired by the Octopus. Advanced Robotics. 26 (7), 709-727 (2012).
  4. Alapan, Y., et al. Soft erythocyte-based bacterial microswimmers for cargo delivery. Science Robotics. 3 (17), 4423(2018).
  5. Magdanz, V., Sanchez, S., Schmidt, O. G. Development of a Sperm-Flagella Driven Micro-Bio-Robot. Advanced Materials. 25 (45), 6581-6588 (2013).
  6. Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
  7. Holley, M. T., Nagarajan, N., Danielson, C., Zorlutuna, P., Park, K. Development and characterization of muscle-based actuators for self-stabilizing swimming biorobots. Lab Chip. 16 (18), 3473-3484 (2016).
  8. Shin, S. R., et al. Aligned Carbon Nanotube–Based Flexible Gel Substrates for Engineering Biohybrid Tissue Actuators. Advanced Functional Materials. 25 (28), 4486-4495 (2015).
  9. Shin, S. R., et al. Carbon-nanotube-embedded hydrogel sheets for engineering cardiac constructs and bioactuators. ACS Nano. 7 (3), 2369-2380 (2013).
  10. Shin, S. R., et al. Electrically Driven Microengineered Bioinspired Soft Robots. Advanced Materials. 30 (10), 1704189(2018).
  11. Tye, K. M., Deisseroth, K. Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models. Nature Reviews Neuroscience. 13 (4), 251-266 (2012).
  12. Feinberg, A. W., et al. Muscular thin films for building actuators and powering devices. Science. 317 (5843), 1366-1370 (2007).
  13. Jia, Z., et al. Stimulating cardiac muscle by light: cardiac optogenetics by cell delivery. Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 4 (5), 753-760 (2011).
  14. Shin, S. R. Carbon Nanotube Reinforced Hybrid Microgels as Scaffold Materials for Cell Encapsulation. ACS Nano. , (2013).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Bioinspired Soft RobotCardiac Muscle TissueMicropatterned HydrogelFlexible Gold MicroelectrodesCarbon Nanotube GelMAElectrical StimulationPhotolithography MethodsCardiomyocyte ContractionSting Ray MimicrySerpentine Electrode Design

מאמרים קשורים