Robot morbido bioispirato con microelettrodi incorporati

Il nostro nuovo metodo di fabbricazione dell'attuatore bioispirato a controllo elettrico può non solo superare la limitazione dell'attuatore bioibride esistente, ma anche migliorare fortemente le prestazioni dell'attuatore a base cellulare. Utilizzando questa tecnica a basso costo e facile da maneggiare, il comportamento di azionamento del robot morbido bioinpirato può essere controllato e sintonizzato portando a una stimolazione in tempo reale. Il nostro nuovo metodo può potenzialmente essere esteso verso l'applicazione di un dispositivo elettronico flessibile impiantabile wireless per la rigenerazione cardiaca.

Questo metodo può anche servire come nuova piattaforma per lo studio della stimolazione elettrica locale dei costrutti latenti cellulari. Inizia sciogliendo 80 milligrammi di GelMA in quattro millilitri del PBS di Dulbecco. Quindi aggiungere 20 milligrammi di nanotubi di carbonio multiwallizzati funzionalizzati con acido carbossilico e sonicare la soluzione per un'ora a 660 millihertz e 100 watt.

Per creare PEGDA micropatterned, posizionare uno strato di nastro trasparente commerciale spesso 50 micrometri su uno scivolo di vetro rivestito in TMSPMA, versare 15 microlitri di soluzione di prepolimero PEGDA al 20% sopra lo scivolo di vetro rivestito, quindi coprirlo con microelettrodi dorato. Posizionare la prima maschera fotografica sopra lo scivolo ed esporre l'intero costrutto a 200 watt di luce ultravioletta a 800 milliwatt di intensità e una distanza di otto centimetri per 110 secondi. Al termine dell'esposizione ai raggi UV, mettere lo scivolo di vetro nel PBS di Dulbecco.

Aggiungere una goccia di 20 microliter della soluzione di prepolimero GelMA a nanotubo di carbonio tra i distanziati. Dopo cinque o 10 minuti, staccare accuratamente l'idrogel PEGDA micropatterned e i microelettrodi dorato dal substrato di vetro non rivestito e posizionare lo scivolo capovolto sui distanziati. Fissare lo scivolo al piatto con nastro adesivo e capovolgere l'intero assieme.

Posizionare la seconda maschera fotografica sullo scivolo di vetro ed esporre l'assieme alla luce UV come dimostrato per 200 secondi. Al termine dell'esposizione, lavare l'impalcatura una volta con pbs fresco di Dulbecco e una volta con mezzo di coltura cellulare integrato con siero bovino fetale al 10%. Quindi posizionare l'impalcatura in mezzo fresco in una nuova piastra di Petri in un'incubatrice di 37 gradi Celsius durante la notte.

Dopo l'isolamento dei cardiomiociti dai cuori neonatali di due giorni secondo i protocolli standard, resuspend le cellule a 1,95 per 10 alle sei cellule per millilitro di media concentrazione cardiaca e seminare le cellule sul robot morbido fabbricato in goccioline. Una volta coperta l'intera superficie del dispositivo, incubare i campioni a 37 gradi Celsius per cinque giorni, sostituendo il supernatante di coltura con cinque millilitri di terreno di coltura cellulare fresco integrati con siero bovino fetale al 2% e 1%L-glutammina il primo e il secondo giorno dopo la semina. Per valutare il pestaggio spontaneo dei cardiomiociti sul robot morbido, a partire dal terzo giorno di coltura, posizionare il robot su uno stadio di microscopio ottico invertito e utilizzare un obiettivo 5X o 10X e un software di acquisizione video per immagini l'attività cardiomiocitaria per 30 secondi a 20 fotogrammi al secondo.

Il quinto giorno, utilizzare uno scivolo di copertura per sollevare delicatamente le membrane sul bordo. Utilizzando un PDMS distanziato di tre centimetri come supporto, apporre due elettrodi di asta di carbonio con filo di platino su una piastra di Petri di sei centimetri riempita di mezzo cardiaco e trasferire con cura il robot morbido nella piastra. Quindi applicare una forma d'onda quadrata con una larghezza dell'impulso di 50 millisecondi, un valore di offset della corrente diretta di zero volt e ampiezza della tensione di picco tra 0,5 e sei volt.

Per la stimolazione elettrica con i microelettrodi dorato, dopo la fabbricazione di costrutti multistrato, utilizzare la pasta d'argento per attaccare due fili di rame agli elettrodi d'oro attraverso una porta quadrata esterna e coprire la pasta con un sottile strato di PDMS pre-polimerizzato a 80 gradi Celsius per cinque minuti. Quindi posizionare il campione su una piastra calda a 45 gradi Celsius per cinque ore per collegare completamente il PDMS. Dopo aver seminato cardiomiocita sui fili collegati soft robot, applicare uno stimolo elettrico ad onda quadra sui fili di rame con il valore di offset della corrente diretta di un volt, un'ampiezza di tensione di picco tra 1,5 e cinque volt e frequenze rispettivamente di 0,5, uno e due hertz.

Questi robot morbidi sono stati progettati biomimendo i modelli di due diversi animali acquatici, la stella marina e la mante. Gli strati gelMA a nanotubo di carbonio semi di cardiomiociti mostravano diversi comportamenti di battimento a seconda delle distanze del modello. Per evitare un rotolamento completo irreversibile del robot morbido durante il battito dinamico dei cardiomiociti, la spaziatura del modello dello strato di supporto dell'idrogel PEGDA è stata ottimizzata a 300 micrometri.

In questi fotogrammi acquisiti dalle registrazioni di contrazione, un attuatore a forma di manta può essere chiaramente osservato piegare le ali come previsto con la coda che bilancia la struttura raddrizzare quando le ali si chiudevano robustamente nel mezzo. Alcune membrane dimostrano un movimento rotante mentre si contrae a causa di nanotubi di carbonio micropatterned disallineati GelMA e idrogel PEGDA. Il tessuto cardiaco su modelli GelMA PEGDA micropatterned e nanotubo di carbonio può anche essere visualizzato dall'imaging confocale DAPI F-actin.

L'allineamento parziale uniassiale del sarcomero e le strutture sarcomere interconnesse possono essere osservati anche sulle aree modellate mediante microscopia confocale e strutture sarcomere ben interconnesse dei tessuti cardiaci situate direttamente sopra i microelettrodi. La tensione di soglia di eccitazione è diversa a diverse frequenze di stimolo elettrico attraverso l'elettrodo di carbonio esterno o il filo di rame collegato all'elettrodo d'oro. Il processo di retiatura UV di PEGDA e il micropatterning GelMA utilizzando maschere fotografiche è importante per ottenere microelettrodi in oro di alta qualità che incorporano multistrati coperti.

La biostampa può essere utilizzata per fabbricare idrogel micropatterned ed elettrodo flessibile. Abbiamo utilizzato la biostammpa per ottenere robot morbido geometricamente ben definito in modo rapido, economico e ad alta produttività. Il nostro metodo può potenzialmente contribuire allo sviluppo della stimolazione elettrica wireless del robot morbido attraverso l'integrazione di un dispositivo elettronico flessibile direttamente nell'impalcatura a base di idrogel.

Il nanotubo di carbonio e i solventi organici dovrebbero sempre essere maneggiati all'interno di una cappa in quanto le fibre di nanotubo di carbonio possono entrare nei polmoni ponendo un rischio per lo sviluppo del cancro.