生体にインスパイアされたマイクロ電極を用いたソフトロボット
2020年2月28日
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。
電気制御バイオインスパイアアクチュエータの新しい製造方法は、既存のバイオハイブリッドアクチュエータの限界を克服するだけでなく、細胞ベースのアクチュエータの性能を強力に向上させることができます。この低コストで扱いやすい技術を使用して、バイオインスピレーションを受けたソフトロボットの作動行動を制御し、リアルタイム刺激に導くことができます。当社の新しい方法は、心臓再生のためのワイヤレス給電式の埋め込み型フレキシブル電子機器の適用に向けて拡張できる可能性があります。
この方法はまた、細胞潜伏構造の局所的な電気刺激の研究のための新しいプラットフォームとして役立つことができる。ダルベッコのPBSの4ミリリットルにGelMAの80ミリグラムを溶解させることから始めます.その後、カルボン酸の機能化された多層カーボンナノチューブの20ミリグラムを追加し、660ミリヘルツと100ワットで1時間の溶液を超音波処理します。
マイクロパターン化されたPEGDAを作成するには、厚さ50マイクロメートルの商用透明テープの1層を1枚のTMSPMAコーティングガラススライドに配置し、コーティングされたガラススライドの上に20%PEGDAプレポリマー溶液の15マイクロリットルを注ぎ、金のマイクロ電極で覆います。スライドの上に最初のフォトマスクを置き、800ミリワットの強度で200ワットの紫外線に、110秒間8センチメートルの距離に構成全体を露出させます。UV露光の終わりに、ガラススライドをダルベッコのPBSに入れます。
スペーサー間にカーボンナノチューブGelMAプレポリマー溶液の20マイクロリットルの滴を加えます。5~10分後、マイクロパターン化されたPEGDAヒドロゲルと金のマイクロ電極をコーティングされていないガラス基板から慎重に取り外し、スライドをスペーサーに逆さまにします。粘着テープで皿にスライドを固定し、アセンブリ全体を逆さまに反転させます。
2 番目のフォトマスクをガラス スライドに置き、200 秒間デモしたようにアセンブリを UV ライトに公開します。暴露の終わりに、新鮮なダルベッコのPBSで足場を1回洗い、10%のウシ胎児血清を添加した細胞培養培地で1回洗う。その後、新鮮な培地でスキャフォールドを新しいペトリ皿に入れ、一晩で37度の摂氏インキュベーターに入れます。
標準的なプロトコルに従って2日齢の新生児ラットの心臓から心筋細胞を単離した後、心臓培地濃度のミリリットル当たり6細胞に1.95倍の10倍の細胞を再中断し、細胞を液滴で作製された柔らかいロボットに播種する。装置の表面全体が覆われている場合、サンプルを摂氏37度で5日間インキュベートし、培養上清を、播種後1日目と2日目に2%ウシ胎児血清および1%L-グルタミンを添加した5ミリリットルの新鮮な細胞培養培地に置き換える。柔らかいロボットの心筋細胞の自発的な拍動を評価するには、培養3日目からロボットを逆光顕微鏡ステージに置き、5Xまたは10倍の目的とビデオキャプチャソフトウェアを使用して、1秒間に20フレームで30秒間心筋細胞活動を画像化します。
5日目には、カバースライドを使用して、端の膜をそっと持ち上げます。3センチの間隔のPDMSをホルダーとして使用し、2つのカーボンロッド電極に白金線を付けて、心臓媒体で満たされた6センチメートルのペトリ皿に貼り付け、柔らかいロボットを慎重に皿に移します。次に、50 ミリ秒のパルス幅、直流オフセット値 0 ボルト、ピーク電圧振幅が 0.5 ~ 6 ボルトの方形波形を適用します。
金の微小電極による電気刺激では、多層構造を作製した後、銀ペーストを使用して、外付けの正方形ポートを通して金電極に2本の銅線を取り付け、5分間摂氏80度で予用したPDMSの薄い層でペーストを覆います。その後、サンプルをホットプレートの上に5時間摂氏45度で置き、PDMSを完全に架橋します。接続されたソフトロボットにカーディオサイトをシーディングマイオサイトをシーディングした後、1ボルトの直流オフセット値、1.5~5ボルトのピーク電圧振幅、および0.5、1、および2つのヘルツの周波数を持つ銅線に対して、四方波の電気刺激を適用します。
これらのソフトロボットは、ヒトデとマンタの2つの異なる水生動物のパターンをバイオミミックすることによって設計されました。カーディオミオサイトの播種カーボンナノチューブGelMA層は、パターン距離に応じて異なる拍動挙動を示した。心筋細胞の動的拍動時にソフトロボットの不可逆的完全な転がりを防ぐために、PEGDAヒドロゲル支持層のパターン間隔を300マイクロメートルに最適化した。
収縮記録から得られたこれらのフレームでは、翼が真ん中に強固に閉じたときにまっすぐにして構造のバランスを取る尾で翼を予想通り曲げてマンタ線形アクチュエータを明確に観察することができる。膜の一部は、誤整列したマイクロパターン化されたカーボンナノチューブGelMAおよびPEGDAヒドロゲルによる収縮中の回転運動を示す。微量パターン化PEGDAおよびカーボンナノチューブGelMAパターン上の心臓組織も、F-アクチンDAPI共焦点イメージングによって可視化することができる。
部分的な単軸サルコメアアアライメントおよび相互接続されたサルコメア構造は、共焦点顕微鏡法と、微小電極の真上に位置する心臓組織の相互接続されたサルコメア構造によってパターン化された領域でも観察することができる。励起閾値電圧は、金電極に接続された外部カーボン電極または銅線を介した電気刺激の周波数が異なる。ペグダのUV架橋プロセスとフォトマスクを用いたGelMAマイクロパターニングは、多層を取り入れた高品質の金微小電極を得るために重要である。
バイオプリンティングは、マイクロパターン化ヒドロゲルおよびフレキシブル電極の製造に使用できます。バイオプリンティングを使用して、形状的に明確に定義されたソフトロボットを、迅速、安価、高スループットの方法で取得しました。当社の方法は、柔軟な電子機器をハイドロゲルベースの足場に直接統合することで、ソフトロボットのワイヤレス電気刺激の開発に寄与する可能性があります。
カーボンナノチューブ繊維は、がんの発症リスクをもたらす肺に入ることができるので、カーボンナノチューブと有機溶剤は常にフードの中で処理する必要があります。
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概要
この研究は、ヒドロゲルを使用して電気的に制御されたバイオインスピレーション型アクチュエータを製造する新しい方法を提示します。この技術は、セルベースのアクチュエータの性能を向上させ、バイオインスピレーション型のソフトロボットのリアルタイム刺激を可能にします。
主要な研究要素
科学分野
- バイオエンジニアリング
- 心臓組織工学
- ソフトロボティクス
背景
- 既存のバイオハイブリッドアクチュエータは性能に限界があります。
- 電気制御はアクチュエーション挙動を向上させることができます。
- ヒドロゲルは機械的な堅牢性と導電性を提供できます。
- マイクロ電極の統合により、精密な刺激が可能になります。
研究の目的
- 強化されたアクチュエーションを持つバイオインスピレーション型ソフトロボットを作成する手法を開発すること。
- バイオインスピレーション型アクチュエータのリアルタイム制御を可能にすること。
- 心臓再生と局所的な電気刺激の応用を探索すること。
使用された方法
- Dulbecco's PBSでGelMAを溶解すること。
- カルボン酸官能化された多層カーボンナノチューブを追加すること。
- 均質化を達成するために溶液をソニケーションすること。
- ソフトフォトリソグラフィを使用してマイクロパターン化されたヒドロゲルを製造すること。
主な結果
- 製造された足場は心筋細胞の方向性整列を可能にします。
- 柔軟なマイクロ電極の統合により電気制御が可能になります。
- この方法は、無線給電可能な埋め込みデバイスの可能性を示しています。
- バイオインスピレーション型ソフトロボットのリアルタイム刺激が可能になります。
結論
- 新しい製造方法はアクチュエータ性能を大幅に向上させます。
- 細胞構造における電気刺激の研究のためのプラットフォームを提供します。
- 将来の応用には心臓再生技術が含まれる可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This method enables precise electrical control of cardiac tissue-based actuators, supporting mechanistic de-risking in early-stage target validation for cardiac therapeutics. By integrating flexible microelectrodes with biomimetic hydrogels, it provides a reproducible platform for assessing compound effects on contractile function, improving predictive confidence in preclinical models. The scalable, low-cost fabrication approach facilitates enterprise reuse across discovery workflows focused on heart regeneration and electrophysiology studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cardiac tissue contractility under controlled electrical stimulation, supporting target hypothesis testing.
- Operational Value: Provides a standardized, tunable system for evaluating pharmacological or genetic modifiers of cardiomyocyte function.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, real-time readouts of contraction dynamics via video capture, enabling dose-response assessment.
- Operational Value: Supports assay standardization through micropatterned hydrogel scaffolds and consistent electrical stimulation parameters.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Mimics native tissue architecture and electrophysiological responses, enhancing relevance for preclinical cardiac safety and efficacy studies.
- Operational Value: Facilitates longitudinal monitoring of engineered tissue maturation and functional response to stimuli.
Pipeline & Workflow Integration
Positioned at the discovery biology stage, this method supports hypothesis-driven evaluation of cardiac targets before lead identification, with outputs informing go/no-go decisions based on functional contractility metrics.
- Discovery Biology: Enables mechanistic de-risking by linking electrical stimulation inputs to quantifiable contraction outputs in engineered cardiac tissue.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative actuation measurements suitable for compound library screening.
- Analytics: Provides time-resolved contraction data via video capture, enabling statistical comparison across conditions.
- Translational Research: Supports continuity from discovery to preclinical validation by maintaining tissue-level electrophysiological fidelity.
- Enterprise Reuse: The modular hydrogel-electrode design allows adaptation across multiple cardiac disease models and stimulation paradigms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in cardiac target validation through physiologically relevant actuation readouts.
- Operational Value: Ensures reproducibility via standardized soft photolithography fabrication and defined electrical stimulation protocols.
- Strategic Value: Reduces biological risk in cardiac programs by enabling early functional assessment of targets in human-relevant tissue constructs.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of cardiac therapeutics based on contractile response profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cardiac tissue engineering, hydrogel fabrication, and microelectrode integration.
- Depends on UV photolithography equipment, cell culture facilities, and electrical stimulation hardware.
- Necessitates cross-team standardization between tissue engineering and electrophysiology groups for consistent results.
- Adaptation to alternative tissue types may require optimization of hydrogel composition and patterning parameters.
- Handling of carbon nanotubes requires containment in fume hoods due to inhalation risks, per source material.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
1:03
Au Microelectrode-Integrated, Micropatterned, Multilayered Hydrogel Scaffold Fabrication
3:02
Neonatal Rat Cardiomyocyte Soft Robot Culture
3:46
Actuator Testing and Behavior Evaluation
5:35
Results: Representative Cardiomyocyte Beating Behavior Analyses
7:10
Conclusion
