ביוהשראת רובוט רך עם מיקרואלקטרודות משולבות

השיטה החדשה שלנו של ייצור מפעיל bioinspired נשלט חשמלית יכול לא רק להתגבר על המגבלה של מפעיל biohybrid הקיים, אלא גם לשפר מאוד את הביצועים של מפעיל מבוסס תאים. באמצעות טכניקה זו בעלות נמוכה וקלה לטיפול, ניתן לשלוט ולכוונן את התנהגות ההתויזה של הרובוט הרך עם ההשראה הביולוגית המוביל לגירוי בזמן אמת. השיטה החדשה שלנו יכולה להיות מורחבת לקראת היישום של מכשיר אלקטרוני גמיש מושתל אלחוטית להתחדשות הלב.

שיטה זו יכולה לשמש גם כפלטפורמה חדשה לחקר הגירוי החשמלי המקומי של מבנים סמויים של תאים. התחל על ידי המסת 80 מיליגרם של GelMA בארבעה מיליליטר של PBS של Dulbecco. לאחר מכן הוסיפו 20 מיליגרם של חומצה קרבוקסילית פונקציונלית צינוריות פחמן מרובות קירות ו sonicate הפתרון במשך שעה אחת ב 660 מיליהרץ ו 100 וואט.

כדי ליצור PEGDA micropatterned, למקם שכבה אחת של 50 מיקרומטר עבה מסחרי סרט שקוף לשקופית אחת זכוכית מצופה TMSPMA, לשפוך 15 microliters של 20%PEGDA prepolymer פתרון על גבי שקופית זכוכית מצופה, ולאחר מכן לכסות אותו עם microelectrodes זהב. מניחים את מסכת הצילום הראשונה על גבי השקופית ולחשוף את המבנה כולו ל 200 וואט של אור אולטרה סגול ב 800 מילי וואט של אינטנסיביות ומרחק שמונה סנטימטרים במשך 110 שניות. בסוף החשיפה לקרינת UV, שים את מגלשת הזכוכית לתוך PBS של Dulbecco.

הוסף טיפה 20 microliter של פתרון טרוםpolymer צינור פחמן GelMA בין החללים. לאחר חמש עד עשר דקות, נתק בזהירות את הידרוג'ל PEGDA micropatterned ואת microelectrodes זהב מן המצע זכוכית לא צותת ולמקם את השקופית במהופך על spacers. תקן את השקופית לצלחת עם סרט הדבקה והפוך את ההרכבה כולה במהופך.

מניחים את מסכת הצילום השנייה על מגלשת הזכוכית וחושפים את ההרכבה לאור UV כפי שהוכח במשך 200 שניות. בסוף החשיפה, לשטוף את הפיגום פעם אחת עם PBS של Dulbecco טרי ופעם אחת עם מדיום תרבות התא בתוספת 10% נסיוב בקר עוברי. לאחר מכן מניחים את הפיגום במדיום טרי בצלחת פטרי חדשה באינקובטור של 37 מעלות צלזיוס בן לילה.

לאחר בידוד קרדיומיוציט מלבבות חולדות יילודים בני יומיים על פי פרוטוקולים סטנדרטיים, יש לעשות שימוש חוזר בתאים במהירות של פי 1.95 עד ששת התאים למיליליטר של ריכוז בינוני לב ולזרע את התאים על הרובוט הרך והמפוברק ב טיפות. כאשר כל פני השטח של המכשיר כבר מכוסה, דגירה הדגימות ב 37 מעלות צלזיוס במשך חמישה ימים, החלפת על טבעי התרבות עם חמישה מיליליטר של בינוני תרבות תאים טריים בתוספת 2% סרום בקר עוברי ו 1%L-גלוטמין בימים הראשונים והשני לאחר הזריעה. כדי להעריך את המכות הספונטניות של cardiomyocytes על הרובוט הרך, החל מהיום השלישי של התרבות, למקם את הרובוט על שלב מיקרוסקופ אופטי הפוך ולהשתמש 5X או 10X אובייקטיבי תוכנה לכידת וידאו כדי תמונה פעילות cardiomyocyte במשך 30 שניות ב 20 מסגרות לשנייה.

ביום החמישי, השתמשו בשקופית כיסוי כדי להרים בעדינות את הממברנות בקצה. באמצעות PDMS במים של שלושה סנטימטרים כמחזיק, להדביק שני אלקטרודות מוט פחמן עם חוט פלטינה לצלחת פטרי שישה סנטימטר מלא מדיום לב בזהירות להעביר את הרובוט הרך לצלחת. לאחר מכן החל צורת גל מרובעת עם רוחב פולס של 50 אלפיות השניה, ערך היסט זרם ישיר של אפס וולט, משרעת מתח שיא בין 0.5 לשש וולט.

לגירוי חשמלי עם microelectrodes זהב, לאחר ייצור של מבנה רב שכבתי, להשתמש משחת כסף כדי לחבר שני חוטי נחושת אל אלקטרודות זהב דרך יציאה מרובעת חיצונית לכסות את הדבק עם שכבה דקה של PDMS מראש נרפא ב 80 מעלות צלזיוס במשך חמש דקות. לאחר מכן מניחים את הדגימה על צלחת חמה ב 45 מעלות צלזיוס במשך חמש שעות כדי לחצות באופן מלא את PDMS. לאחר זריעה cardiomyocyte על החוטים מחובר רובוט רך, להחיל גל מרובע גירוי חשמלי על חוטי נחושת עם ערך קיזוז זרם ישיר של וולט אחד, משרעת מתח שיא בין 1.5 ו חמישה וולט, ותדרים של 0.5, אחד, ושני הרץ בהתאמה.

רובוטים רכים אלה תוכננו על ידי ביומימיק של דפוסים של שתי חיות מימיות שונות, כוכב הים וקרן המנטה. שכבות ה-GelMA של ננו-צינורית הפחמן הקרדיומיוציט הציגו התנהגויות מכות שונות בהתאם למרחקי הדפוס. כדי למנוע גלגול שלם בלתי הפיך של הרובוט הרך במהלך המכות הדינמיות של הקרדיומיוציטים, מרווח התבנית של שכבת התמיכה הידרוג'ל PEGDA היה אופטימיזציה ל 300 מיקרומטר.

במסגרות אלה שנרכשו מהקלטות התכווצות, מפעיל בצורת קרן מנטה ניתן לראות בבירור כיפוף הכנפיים כצפוי עם הזנב איזון המבנה על ידי ישר כאשר הכנפיים היו חזקות סוגרות באמצע. חלק מהממברנות מדגימות תנועה מסתובבת תוך כדי התכווצות עקב ננו-צינורית פחמן לא מיושרת, GelMA והידרוגלים של PEGDA. רקמת לב על דפוסי PEGDA micropatterned ופחמן ננו-צינורית GelMA ניתן גם לדמיין על ידי הדמיה קונפוסל DAPI F-actin.

יישור סרקומר חד-אקסיאלי חלקי ומבנים סרקומרים מחוברים ניתן לראות גם על האזורים בדוגמת על ידי מיקרוסקופיה confocal, כמו גם מבני סרקומר מחובר היטב של רקמות לב הממוקם ישירות מעל microelectrodes. מתח סף העירור שונה בתדרים שונים של גירוי חשמלי באמצעות אלקטרודה פחמן חיצונית או חוט נחושת המחוברים לאלקטרודה הזהב. תהליך ההצלבה UV של PEGDA ואת micropatterning GelMA באמצעות photomasks חשוב להשגת מיקרואלקטרוניקה זהב באיכות גבוהה שילוב רב שכבתי מכוסה.

ניתן להשתמש בהדפסה ביולוגית לייצור הידרוג'ל מיקרופטרני ואלקטרודה גמישה. השתמשנו בהדפסה ביולוגית כדי להשיג רובוט רך מוגדר היטב מבחינה גיאומטרית באופן מהיר, זול, ותפוקה גבוהה. השיטה שלנו עשויה לתרום לפיתוח הגירוי החשמלי האלחוטי של רובוט רך באמצעות שילוב של מכשיר אלקטרוני גמיש ישירות לתוך פיגום מבוסס הידרוג'ל.

ננו-צינורית פחמן וממסים אורגניים צריכים תמיד להיות מטופלים בתוך מכסה המנוע כמו סיבי צינור פחמן יכול לעשות את דרכם לתוך הריאות המהוות סיכון להתפתחות סרטן.