생체 영감 스캐폴드는 기계적으로 견고하고 전기 전도성 하이드로겔을 사용하여 부드러운 포토리소그래피 기술로 제작됩니다. 마이크로 패턴 하이드로겔은 방향성 심근세포 정렬을 제공하여 맞춤형 작동 방향을 제공합니다. 유연한 마이크로 전극은 또한 자체 작동 심장 조직에 대한 전기 제어 성을 가지고 스캐폴드에 통합되어 있습니다.
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이 논문에서
요약
초록
엔지니어링 된 근육 조직 및 생체 재료를 사용하여 살아있는 생물을 모방하는 바이오 영감 연질 로봇 시스템은 특히 생물 의학 연구에서 현재의 생물 로봇 패러다임에 혁명을 일으키고 있습니다. 소프트 로봇 시스템에는 인공 생명체와 같은 작동 역학을 재현하는 것이 매우 중요합니다. 그러나 작동 동작의 정밀한 제어 및 튜닝은 여전히 현대 소프트 로봇 시스템의 주요 과제 중 하나입니다. 이 방법은 미세 패턴 스팅에서 심장 근육 조직의 수축에 의해 활성화되고 제어되는 실물 같은 움직임으로 전기적으로 제어 가능한 소프트 로봇을 제작하기 위해 저비용, 확장성 및 사용하기 쉬운 절차를 설명합니다. 광선 같은 하이드로 겔 비계. 소프트 포토리소그래피 방법을 사용하면 마이크로 패턴 하이드로겔 기반 스캐폴드와 탄소 나노튜브(CNT) 내장 젤라틴 메타크릴로일(CNT-GelMA)을 포함한 연질 로봇 시스템의 여러 구성 요소를 성공적으로 통합할 수 있습니다. 폴리 (에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (PEGDA), 유연한 금 (Au) 미세 전극, 심장 근육 조직. 특히, 하이드로겔 정렬 및 마이크로패턴은 가오리의 근육 및 연골 구조를 모방하도록 설계된다. 전기 전도성 CNT-GelMA 하이드로겔은 심근세포의 성숙과 수축 거동을 개선하는 세포 스캐폴드 역할을 하며, 기계적으로 견고한 PEGDA 하이드로겔은 전체 소프트 로봇에 구조적 연골과 같은 지원을 제공합니다. 금속 기반 미세 전극의 단단하고 부서지기 쉬운 특성을 극복하기 위해 유연성이 높고 심근 세포의 박동 역학을 방해하지 않도록 할 수있는 뱀 패턴을 설계했습니다. 통합된 유연한 Au 마이크로 전극은 소프트 로봇 전반에 걸쳐 전기 자극을 제공하여 심장 조직의 수축 거동을 보다 쉽게 제어할 수 있습니다.
서론
현대의 최첨단 소프트 로봇은 해파리1,2,가오리2,문어3,박테리아4,정자5와같은 많은 생물의 계층 구조와 근육 역학을 모방 할 수 있습니다. 자연 시스템의 역학과 아키텍처를 모방하는 것은 에너지 및 구조 효율성 모두의 측면에서 더 높은 성능을 제공합니다6. 이것은 본질적으로 자연 조직의 부드러운 특성과 관련이 있습니다 (예를 들어, 10 4-109 Pa 사이의영의 계수를 가진 피부 또는 근육 조직) 표준 엔지니어링 액추에이터 (예 : 영의 계수는 보통 109-1012 Pa6)와비교할 때 더 높은 자유도와 우수한 변형 및 적응성을 허용합니다. 심장 근육 기반 의 소프트 액추에이터, 특히, 기계적 기반 로봇 시스템7에비해 자기 작동뿐만 아니라 자동 수리 및 재생에 대한 잠재력으로 인해 우수한 에너지 효율을 보여줍니다. ....
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프로토콜
이 연구는 건강의 국가 학회의 실험실 동물의 관리 및 사용에 대 한 가이드의 권고에 따라 엄격 하 게 실시 되었다. 이 프로토콜은 브리검 및 여성 병원의 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)에 의해 승인되었습니다.
1. 겔마 합성
- 50°C에서 자기 교반기로 덜베코의 인산완충식염수(DPBS)의 100 mL에 젤라틴 10g을 용해합니다.
- 50°C에서 젤라틴 프리폴리머 용액을 50°C에서 2시간 동안 교반하면서 8 mL의 메타크릴 무수화물을 천천히 첨가합니다.
- 희석된 용액을 투석 막(분자량 차단 = 12-14 kDa)으로 옮기고 탈이온화된(DI) 물에 넣습니다. 약 1 주 동안 40 °C에서 투석을 수행합니다.
- 멸균 필터(공극 크기 = 0.22 μm)를 사용하여 투석된 GelMA 프리폴리머 용액을 걸러내고 용액의 25 또는 30 mL을 50 mL 튜브로 옮기고 -80°C에서 2일 동안 보관합니다.
- 동결 건조기를 사용하여 냉동 GelMA 프리폴리머 용액을 5일 동안 동결 건조시.
2. 폴리 (에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (PEGDA) 프리 폴리머 용액의 준비
- 2-하이드록시-4....
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결과
Au 마이크로 전극 통합 바이오 영감 소프트 로봇 을 개발하기위한 단계의 흐름 다이어그램
소프트 로봇 설계의 목적은 최소한의 복잡성으로 수영 운동을 작동 시킬 수있는 멤브레인을 구축하는 것이었습니다. 구조는 시간이 지남에 따라 반복적으로 강한 굴곡을 유지할 수 있어야하며 (약 1 Hz) 강한 박동을 달성하면서 모양을 유지할 수 있어야합니다. 포토마스크를 사용하여 폴리머를 선택적으로 가교하여 마이크로 패턴 PEGDA 하이드로겔 층, 유연한 Au 마이크로 전극 층 및 마이크로 패턴 CNT-GelMA 하이드로겔 층으로 구성된 계층구조의 스캐폴드를 제작했습니다. 프로토콜에 설명된 대로 소프트 로봇의 제작 절차의 개략도 및 실제 이미지는 도 1에나와 있습니다. 간단히, 내장 된 Au 마이크로 전극과 바이오 영감 소프트 로봇에 대한 세 가지 주요 제조 단계가 있었다 : 먼저, 통합 Au 마이크로 전극과 마이크로 패턴 PEGDA 하이드로 겔은 제 1 포.......
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토론
이 방법을 사용하여, 우리는 성공적으로 내장 Au 마이크로 전극에 의해 제어되는 다층 구조의 스캐폴드에 통합 자기 작동 심장 조직과 바티드 물고기 와 같은 바이오 영감 소프트 로봇을 제조 할 수 있었다. PEGDA와 CNT-GelMA 하이드로겔로 만들어진 두 개의 뚜렷한 마이크로 패턴 하이드로겔 층으로 인해, 바이오영감 스캐폴드는 좋은 기계적 안정성과 이상적인 세포 정렬 및 성숙을 보였다. PEGDA 패턴 층은 가오리에서 골격 구조의 연골 조인트 역할을하며 로봇 몸 전체에 기계적 지원을 제공합니다. 특히, 그것은 심장 조직 수축 및 이완 동안 기계적 안정성을 유지, 수축 다음 막 장력을 방출 하는 능력으로 인해 효율적인 구타에 대 한 허용 하면서. 더욱이, 마이크로전극(200 nm)의 나노미터두께는 이들의 뱀 패턴뿐만 아니라, 심장 조직의 수축을 방해하거나 영향을 미치지 않을 정도로 유연하게 할 수 있게하였다(도 2). 하이드로겔 표면에 미세 전극을 파손 없이 쉽게 전달하기 .......
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공개 사항
저자는 그들이 경쟁 적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.
감사의 글
이 논문은 국립 보건원 (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), 브리검 연구소 스테핑 강력한 혁신상 및 AHA 혁신 프로젝트 상 (19IPLOI34660079)에 의해 지원되었다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 250 mL 비커 | PYREX | 1000-250CNEa | |
| 2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone | , Sigma-Aldrich | 410896 | |
| 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate | Milipore | M6514 | |
| 37° 수조 | VWR | W6M | |
| 4',6-디아미디노-2-페닐린돌 (DAPI) | Sigma-Aldrich | D9542 | |
| 50mL 원추형 원심분리기 튜브 | Falcon | 14-959-49A | |
| 70 &마이크로; m 세포 여과기 | Falcon | 352350 | |
| 80° 인큐베이터 | VWR | 1370GM | |
| Alexa Fluor 488 염소 안티 마우스 IgG (H + L) | Invitrogen | A11029 | |
| Alexa Fluor 594 염소 안티 토끼 IgG (H + L) | Invitrogen | A11037 | |
| Alexa Fluor 488 Phalloidin | Invitrogen | A12379 | |
| 항생제 / 항진균제 해결책 | : ThermoFisher Scientific | 15240062 | |
| Anti-Connexin 43 / GJAI 항체 | Abcam | ab11370 | 토끼 다클론 |
| Anti-Sarcomeric α -actinin | Abcam | ab9465 | 마우스 단클론 |
| 벤치 탑 동결 건조기 | Labconco | 77500-00 K | |
| Biosafety cabinet | Sterilgard | A / B3 | |
| 탄소 막대 전극 | SGL Carbon Group | 6971105 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5804 | |
| CO2 incubator | Forma Scientific | 3110 | |
| Collagenase, Type II, Powder | Gibco | 17-101-015 | |
| 컨포칼 현미경 | Zeiss | LSM 880 | |
| COOH 기능성 탄소 나노튜브 | NanoLab | PD30L5-20-COOH | |
| 다이싱 톱 기계 | Giorgio Technology | DAD-321 | |
| DMEM, 칼슘 | Gibco | 11-965-118 | |
| DPBS | Gibco | 14-190-144 | |
| E-beam 증발기 | CHA | 57367 | |
| 태아 소 혈청 | Gibco | 10-437-028 | |
| 젤라틴 | 시그마-알드리치 | G9391 | B형, 돼지 껍질에서 300 블룸 |
| 유리 슬라이드 | VWR | 48382-180 | |
| HBSS 칼슘, 마그네슘 또는 페놀 없음 Red | Gibco | 14-175-079 | |
| 도립 광학 현미경 | Olympus | CK40 | |
| 자기 핫플레이트 | Corning | PC-420 | |
| 메타크릴 무수물 | Sigma-Aldrich | 276695 | 억제제로 2,000ppm 토판올 A 함유 |
| Nunc EasYFlask 175cm2 | ThermoFisher Scientific | 159910 | |
| Olicscope | Siglent | SDS1052DL+ | |
| Paraformaldehyde 수용액 -16% | 전자 현미경 과학 | 15710 | |
| PDMS SYLGARD 184 | 시그마-알드리치 | 761036 | |
| 포토마스크 | 미니 마이크로 스텐실 inc | ||
| 플래티넘 와이어 | Alfa Aesar | AA43014BU | |
| 폴리에틸렌 글리콜 dimethcrylate | Polysciences Inc. | 15178-100 | |
| 재생 셀룰로오스 투석 튜브 | Fisherbrand | 21-152-14 | |
| 실버 에폭시 접착제 | MG 화학 물질 | 8330S | |
| Stericup 퀵 릴리스 -GP 멸균 진공 여과 시스템 | Millipore | S2GPU02RE | |
| 초음파 발생기 | Qsonica | Q500 | |
| UV 경화 시스템 | OmniCure | S2000 | |
| 와류 믹서 | 과학 산업 | SI-0246A | |
| 파형 발생기 | 애질런트 | 33500B | |
| 랩 알루미늄 호일 | 레이놀즈 | N / A |
참고문헌
- Nawroth, J. C., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nature Biotechnology. 30 (8), 792-797 (2012).
- Park, S. J., et al. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016). ....
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