バイオインスパイアされた足場は、機械的に堅牢で導電性のヒドロゲルを使用した柔らかいフォトリソグラフィ技術によって製造されています。マイクロパターン化ヒドロゲルは、指向性心筋細胞細胞の位置合わせを提供し、調整された作動方向をもたらす。フレキシブルな微小電極も足場に統合され、自己作動性心臓組織の電気制御性をもたらします。
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バイオインスパイアされた足場は、機械的に堅牢で導電性のヒドロゲルを使用した柔らかいフォトリソグラフィ技術によって製造されています。マイクロパターン化ヒドロゲルは、指向性心筋細胞細胞の位置合わせを提供し、調整された作動方向をもたらす。フレキシブルな微小電極も足場に統合され、自己作動性心臓組織の電気制御性をもたらします。
生体に影響を与えたソフトロボットシステムは、生体組織と生体材料を用いて生物を模倣し、現在のバイオロボティクスパラダイム、特に生物医学研究に革命を起こしています。人工的な生命のような作動ダイナミクスを再現することは、ソフトロボットシステムにとって非常に重要です。しかし、動作動作の正確な制御とチューニングは、現代のソフトロボットシステムの主な課題の1つです。この方法は、マイクロパターン化された刺傷上の心筋組織の収縮によって活性化され、制御される生命のような動きを有する電気的に制御可能なソフトロボットを製造するための低コストで、非常にスケーラブルで使いやすい手順を記述する光線状のヒドロゲル足場。柔らかいフォトリソグラフィー法を使用することで、マイクロパターン化ヒドロゲルベースの足場を含むソフトロボットシステムに複数のコンポーネントをカーボンナノチューブ(CNT)組み込みゼラチンメタクリロイル(CNT-GelMA)と組み込み可能にするポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(PEGDA)、フレキシブルゴールド(Au)微小電極、心筋組織。特に、ヒドロゲルのアライメントとマイクロパターンは、刺傷線の筋肉および軟骨構造を模倣するように設計されている。導電性CNT-GelMAヒドロゲルは、心筋細胞の成熟および収縮挙動を改善する細胞足場として機能し、機械的に堅牢なPEGDAヒドロゲルは軟骨状の構造をソフトロボット全体に支えます。金属ベースの微小電極の硬くて脆い性質を克服するために、高い柔軟性を持ち、心筋細胞の鼓動を妨げないようにできる蛇行パターンを設計しました。組み込まれた柔軟なAu微小電極は、柔らかいロボット全体に電気刺激を提供し、心臓組織の収縮行動を制御しやすくします。
現代の最先端のソフトロボットは、クラゲ1、2、刺す光線2、タコ3、バクテリア4、精子5など、多くの生物の階層構造と筋肉ダイナミクスを模倣することができます。自然システムのダイナミクスとアーキテクチャを模倣すると、エネルギッシュで構造的な効率の両方の面でより高いパフォーマンスを提供しています6.これは、自然組織の柔らかい性質(例えば、104-109 Paの間のヤング率を有する皮膚または筋肉組織)に本質的に関連しており、標準的な設計アクチュエータと比較して、より高い自由度と優れた変形および適応性を可能にする(例えば、ヤングの係数は通常109-1012 Pa)の間である。心筋ベースのソフトアクチュエータは、特に、機械的にベースのロボットシステム7と比較して、自己作動による優れたエネルギー効率とオートリペアおよび再生の可能性を示す。しかし、ソフトロボットの製造は、異なるコンポーネントを異なる物理的、生物学的、機械的特性を持つ1つのシステムに統合する必要性のために困難です。例えば、人工合成システムは、構造サポートを提供するだけでなく、その作動行動に影響を与え、調節するだけでなく、生きている生物学的システムと統合する必要があります。さらに、多くの微細加工方法では、過酷/細胞毒性プロセスと、生きている成分の生存率と機能を低下させる化学物質が必要です。そのため、ソフトロボットの機能を強化し、その動作を制御し、調節するために、新しいアプローチが必要です。
良好な生存率で生きている部品をうまく統合するために、ヒドロゲルベースの足場は柔らかいロボットのボディを作成する優秀な材料である。ヒドロゲルの物理的および機械的特性は、筋肉組織8、9などの生体成分の微小環境を作り出すために容易に調整することができる。また、様々な微細加工技術を容易に採用でき、高忠実度1,2,10の階層構造を作成します。柔軟な電子機器をソフトロボットに組み込み、電気刺激で動作を制御できます。例えば、光依存性電気生理学的活性化を示す電気起源細胞(例えば心筋細胞)を設計する光遺伝学的技術は、ビトロ2で魚の起尿運動を再現することができた光によって導かれたポリジメチルシロキサン(PDMS)ベースのソフトロボット刺線を開発するために使用されている。光遺伝学的技術は優れた制御性を示しているが、提示された研究は、従来の従来のシミュレーション方法である電気刺激を使用する。これは、柔軟な微小電極を介した電気刺激が、光遺伝学的技術に比べて容易かつ簡便であり、広範な開発プロセス11を必要とするからである。柔軟な電子機器の使用は、長期的な刺激と標準/単純な製造プロセスだけでなく、調整可能な生体適合性および物理的および機械的特性12、13を可能にすることができます。
ここでは、バイオインスパイア型ソフトロボットを作製する革新的な方法を提示し、操作された心筋組織の鼓動によって作動し、埋め込まれた柔軟なAu微小電極を介して電気刺激によって制御される。柔らかいロボットは刺す光線の筋肉そして軟骨の構造を模倣するように設計されている。刺線は、他の水泳種と比較して構造と動きを模倣しやすい生物です。筋肉は、導電性ヒドロゲルマイクロパターン上に心筋細胞を播種することによって、インビトロで再現される。既に報告したように、CNTなどの導電性ナノ粒子をGelMAヒドロゲルに組み込むことは、心臓組織の電気的結合性を向上させるだけでなく、優れたインビトロ組織構造および配置8、9を誘導する。軟骨接合部は、システム全体の機械的に堅牢な基板として機能する機械的に堅牢なPEGDAヒドロゲルパターンを使用して模倣されます。サーペンチンパターンを有する柔軟なAu微小電極は、心臓組織を局所的および電気的に刺激するためにPEGDAパターンに埋め込まれる。
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この研究は、国立衛生研究所の実験動物のケアと使用のためのガイドの勧告に厳密に従って行われました。この議定書は、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院の動物ケアおよび使用委員会(IACUC)によって承認されました。
1. ゲルマ合成
2. ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(PEGDA)プレポリマー溶液の調製
ゲルマコーティングCNT分散ストック溶液の3.
4. 5%ゲルマプレポリマー溶液を含有する1mg/mL CNTの調製
5.3-(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート(TMSPMA)コーティングされたガラススライドの調製
6. 柔軟なAu微小電極の製造
7. Au微小電極組み込み型微小パターン化多層ヒドロゲル足場の製造
注:この手順の結果は、マイクロパターン化されたPEGDAヒドロゲルが底層にあり、マイクロパターン化されたCNT-GelMAヒドロゲルが上にあり、Au微小電極が2つの層の間にある膜です。この構成は電極へのよりよい柔軟性を保障し、壊れる危険を制限する。
8. 新生児ラット心筋細胞の分離と培養
9. アライメント解析のための細胞染色
10. アクチュエータのテストと行動評価
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Au微小電極組込バイオインスパイアソフトロボットの開発ステップのフロー図
ソフトロボットの設計の目的は、最小限の複雑さで泳ぐ動きを作動させることができる膜を構築することであった。構造は、時間の経過とともに繰り返し強い屈曲を維持することができなければならない (約 1 Hz) 強い鼓動を達成しながら、その形状を維持することができる.フォトマスクを用いてポリマーを選択的に光架橋することにより、マイクロパターン化PEGDAヒドロゲル層、柔軟なAu微小電極層、およびマイクロパターン化CNT-GelMAヒドロゲル層からなる階層構造の足場を作製しました。プロトコルに記載されているソフトロボットの製造手順の概略図と実際の画像を図1に示す。簡単に言うと、埋め込まれたAu微小電極を有するバイオインスパイアソフトロボットの3つの主要な製造ステップがあった:まず、組み込まれたAu微小電極を有する微小パターン化PEGDAヒドロゲルを、第1フォトマスクを用いたUV架橋法により得られた(図1...
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この方法を用いて、組み込まれたAuマイクロ電極によって制御される多層構造の足場に統合された自己作動性心臓組織を備えたバチドフィッシュのようなバイオインスピレーションソフトロボットの製造に成功しました。PEGDAおよびCNT-GelMAヒドロゲルで作られた2つの異なるマイクロパターン化ヒドロゲル層により、バイオインスパイア足場は良好な機械的安定性と理想的な細胞の整列と成熟を示した。刺す光線の骨格の建築の軟骨の接合として機能するPEGDAパターン層は、ロボット本体全体に機械的なサポートを提供します。具体的には、心臓組織の収縮および弛緩時の機械的安定性を維持し、収縮後の膜張力を解放する能力による効率的な叩きが可能である。さらに、微小電極(200nm)のナノメートルの厚さ、ならびにそれらの蛇行パターンは、心臓組織の収縮を妨げたり影響を及ぼしたりしないほど柔軟にすることを可能にした(図2)。ヒドロゲル表面に破損のない微小電極を容易に伝達するために、Au微小電極は、ガラスとAuの間に強い接着を作り出すために一般的に使用されるチタンのような接着層なしでガラス上に製造された。一方、心筋細胞の付...
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著者らは、彼らが競合する財政的利益を持っていないと宣言する。
この論文は、国立衛生研究所(R01AR074234、R21EB026824、R01 AR073822-01)、ブリガム研究所ステッピング強力なイノベーター賞、およびAHA革新的プロジェクト賞(19IPLOI34660079)によって資金提供されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 250 mLビーカー | PYREX | 1000-250CNEa | |
| 2-ヒドロキシ-4'-(2-ヒドロキシエトキシ)-2-メチルプロピオフェノン | Sigma-Aldrich | 410896 | |
| 3-(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート | ミリポア | M6514 | |
| 37°ウォーターバス | VWR | W6M | |
| 4',6-ジアミジノ-2-フェニルインドール (DAPI) | Sigma-Aldrich | D9542 | |
| 50mL 円錐形遠心分離管 | Falcon | 14-959-49A | |
| 70 & micro;m Cell Strainer | Falcon | 352350 | |
| 80° インキュベーター | VWR | 1370GM | |
| Alexa Fluor 488 ヤギ抗マウス IgG (H+L) | Invitrogen | A11029 | |
| Alexa Fluor 594 ヤギ抗ウサギ IgG (H+L) | Invitrogen | A11037 | |
| Alexa Fluor 488 Phalloidin | Invitrogen | A12379 | |
| 抗生物質/抗真菌薬ソリューション | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 15240062 | |
| 抗コネキシン 43/GJAI 抗体 | Abcam | ab11370 | ウサギ ポリクローナル |
| 抗サルコマー &α;-アクチニン | Abcam | ab9465 | マウス モノクローナル |
| ベンチトップ 凍結乾燥機 | Labconco | 77500-00 K | |
| バイオセーフティキャビネット | Sterilgard | A/B3 | |
| カーボンロッド電極 | SGL カーボングループ | 6971105 | |
| 遠心分離機 | エッペンドルフ | 5804 | |
| CO2 インキュベーター | Forma Scientific | 3110 | |
| コラゲナーゼ、タイプII、粉末 | Gibco | 17-101-015 | |
| 共焦点顕微鏡 | ツァイス | LSM 880 | |
| COOH 官能化カーボンナノチューブ | NanoLab | PD30L5-20-COOH | |
| ダイシングソーマシン | Giorgio Technology | DAD-321 | |
| DMEM、高グルコース | Gibco | 11-965-118 | |
| カルシウムとマグネシウムを含まない DPBS | Gibco | 14-190-144 | |
| 電子ビーム蒸発器 | CHA | 57367 | |
| ウシ胎児血清 | Gibco | 10-437-028 | |
| ゼラチン | Sigma-Aldrich | G9391 | Type B, 300 bloom from porcine skin |
| スライド | VWR | 48382-180 | |
| HBSS without Calcium, Magnesium or Phenol Red | Gibco | 14-175-079 | |
| 倒立光学顕微鏡 | Olympus | CK40 | |
| 磁気ホットプレート | Corning | PC-420 | |
| メタクリル無水物 | Sigma-Aldrich | 276695 | 阻害剤として 2,000ppm トパノール A を含む |
| Nunc EasYFlask 175cm2 | ThermoFisher Scientific | 159910 | |
| Olicscope | Siglent | SDS1052DL+ | |
| パラホルムアルデヒド水溶液 -16% | 電子顕微鏡 Sciences | 15710 | |
| PDMS SYLGARD 184 | Sigma-Aldrich | 761036 | |
| フォトマスク | ミニマイクロステンシル株式会社 | ||
| プラチナ線 | アルファ アエサル | AA43014BU | |
| ポリエチレングリコールジメトクリレート | ポリサイエンシズ | 15178-100 | |
| 再生セルロース透析チューブフィ | ッシャーブランド | 21-152-14 | |
| シルバーエポキシ接着剤 | MGケミカル | 8330S | |
| ステリカップクイックリリース-GP滅菌真空ろ過システム | ミリポア | S2GPU02RE | |
| ウルトラソニックメーカーQ500UV | |||
| 硬化システム | OmniCure | S2000 | |
| ボルテックスミキサー | 科学産業 | SI-0246A | |
| 波形発生器 | アジレント | 33500B | |
| ラップ アルミホイル | レイノルズ | N/A |
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