통합 된 마이크로 전극을 가진 바이오 영감 소프트 로봇

전기적으로 제어되는 바이오 영감 액추에이터를 제작하는 새로운 방법은 기존 바이오 하이브리드 액추에이터의 한계를 극복할 뿐만 아니라 세포 기반 액추에이터의 성능을 강력하게 향상시킬 수 있습니다. 이 저렴한 비용과 다루기 쉬운 기술을 사용하여 생체 영감 소프트 로봇의 작동 동작을 제어하고 조정하여 실시간 자극을 받을 수 있습니다. 우리의 새로운 방법은 잠재적으로 심장 재생을위한 무선 전원 이식형 플렉시블 전자 장치의 적용으로 확장 될 수있다.

이 방법은 또한 세포 잠복 구조물의 국소 전기 자극의 연구를 위한 새로운 플랫폼역할을 할 수 있습니다. Dulbecco의 PBS의 4 밀리 리터에서 GelMA의 80 밀리 그램을 용해로 시작. 그런 다음 20 밀리그램의 카복실산 기능성 멀티월 카본 나노튜브를 추가하고 660 밀리헤르츠와 100와트로 1시간 동안 용액을 초음파 처리합니다.

마이크로패턴 PEGDA를 만들려면 50마이크로미터 두께의 상업용 투명 테이프 를 하나의 TMSPMA 코팅 유리 슬라이드에 넣고 코팅 된 유리 슬라이드 위에 20 % PEGDA 프리 폴리머 용액 15 마이크로 리터를 부어 금 마이크로 전극으로 덮습니다. 첫 번째 포토마스크를 슬라이드 위에 놓고 전체 구조가 800 밀리와트의 강도와 8센티미터 거리에서 110초 동안 200와트의 자외선에 노출됩니다. UV 노출이 끝나면 유리 슬라이드를 덜벡코의 PBS에 넣습니다.

스페이서 사이에 탄소 나노튜브 GelMA 프리폴리머 용액의 20 마이크로리터 드롭을 추가합니다. 5-10분 후, 마이크로패턴 PEGDA 하이드로겔과 금 마이크로전극을 코팅되지 않은 유리 기판에서 조심스럽게 분리하고 슬라이드를 스페이서에 거꾸로 놓습니다. 슬라이드를 접착제 테이프로 접시에 고정하고 전체 어셈블리를 거꾸로 뒤집습니다.

두 번째 포토마스크를 유리 슬라이드에 놓고 200초 동안 시연된 대로 어셈블리를 UV 라이트에 노출시십시오. 노출이 끝나면 신선한 덜벡코의 PBS로 비계를 한 번 씻고 10%의 태아 소 세럼으로 보충된 세포 배양 배지로 한 번 씻습니다. 그런 다음 새로운 페트리 접시에 신선한 매체에 비계를 배치하여 하룻밤 사이에 섭씨 37도 의 인큐베이터에 놓습니다.

표준 프로토콜에 따라 2일 된 신생아 쥐 심장에서 심근세포 가절연 후, 세포를 1.95배10배에서 심장 중간 농도의 밀리리터당 6개의 세포로 재보중단하고 세포를 물방울의 조작된 소프트 로봇에 시드한다. 장치의 전체 표면이 덮여있을 때, 5 일 동안 섭씨 37도에서 샘플을 배양하고, 배양 슈퍼네탄을 2 % 태아 소 혈청과 1 % L-글루타민으로 보충 된 신선한 세포 배양 매체의 5 밀리리터로 대체합니다. 배양 3일째부터 연로봇의 심근세포의 자발적인 구타를 평가하기 위해 로봇을 반전된 광학 현미경 단계에 배치하고 5X 또는 10X 목표 및 비디오 캡처 소프트웨어를 사용하여 초당 20프레임에서 30초 동안 심근세포 활성을 이미지화합니다.

5일째되는 날에는 커버 슬라이드를 사용하여 가장자리의 멤브레인을 부드럽게 들어 올립니다. 3센티미터 간격의 PDMS를 홀더로 사용하여 백금 와이어가 있는 카본 로드 전극 2대를 심장 매체로 채워진 6센티미터 페트리 접시에 부착하고 부드러운 로봇을 조심스럽게 접시에 옮기습니다. 그런 다음 50밀리초 펄스 폭, 0볼트의 직접 전류 오프셋 값 및 0.5~6볼트 사이의 피크 전압 진폭을 가진 사각형 파형을 적용합니다.

금 미세 전극을 사용한 전기 자극의 경우, 다층 구조의 제조 후 은페이스트를 사용하여 외부 사각형 포트를 통해 금 전극에 두 개의 구리 와이어를 부착하고 5 분 동안 80섭씨에서 미리 경화 된 PDMS의 얇은 층으로 붙여 넣기를 덮습니다. 그런 다음 샘플을 45°C의 핫 플레이트에 5시간 동안 놓아 PDMS를 완전히 교차연결합니다. 소프트 로봇에 연결된 와이어에 심근세포를 파종한 후 구리 와이어에 정사각형 파 전기 자극을 적용하여 1볼트의 직접 전류 오프셋 값, 1.5~5볼트 사이의 피크 전압 진폭, 주파수0.5, 1, 2헤르츠의 주파수를 각각 적용한다.

이 부드러운 로봇은 두 개의 다른 수생 동물, 불가사리와 만타 광선의 패턴을 모방하여 설계되었습니다. 심근세포 종자 탄소 나노튜브 GelMA 층은 패턴 거리에 따라 다른 구타 행동을 나타냈다. 심근세포의 동적 구타 시 소프트 로봇의 돌이킬 수 없는 완전한 압연을 방지하기 위해 PEGDA 하이드로겔 지지층의 패턴 간격은 300 마이크로미터로 최적화되었습니다.

수축 기록에서 획득한 이 프레임에서, 만타 선 모양의 액추에이터는 날개가 중간에 견고하게 닫히면 구조물의 균형을 맞추는 꼬리와 함께 날개를 구부리는 것을 명확하게 관찰할 수 있다. 일부 멤브레인은 잘못 정렬된 마이크로패턴 탄소 나노튜브 GelMA 및 PEGDA 하이드로겔로 인해 수축하는 동안 회전 움직임을 보여줍니다. 마이크로패턴 PEGDA 및 탄소 나노튜브 GelMA 패턴에 대한 심장 조직은 또한 F-actin DAPI 공초점 이미징에 의해 시각화될 수 있다.

부분적인 단종 사코프레 정렬 및 상호 연결된 sarcomere 구조물은 또한 마이크로 전극 바로 위에 위치한 심장 조직의 공초점 현미경 검사법 및 잘 상호 연결된 sarcomere 구조물에 의해 패턴화된 지역에 관찰될 수 있습니다. 상기 상기 임계값 전압은 금 전극에 연결된 외부 탄소 전극 또는 구리 와이어를 통해 전기 자극의 상이한 주파수에서 다릅니다. 포토마스크를 이용한 PEGDA와 GelMA 마이크로패턴의 UV 교차 연결 공정은 다층으로 통합된 고품질 의 금 마이크로전극을 확보하는 데 중요합니다.

바이오 프린팅은 마이크로 패턴 하이드로겔 및 유연한 전극을 제작하는 데 사용할 수 있습니다. 우리는 생체 인쇄를 사용하여 기하학적으로 잘 정의 된 소프트 로봇을 신속하고 저렴하며 높은 처리량 방식으로 얻었습니다. 당사의 방법은 유연한 전자 장치를 하이드로겔 기반 스캐폴드에 직접 통합하여 소프트 로봇의 무선 전기 자극 개발에 잠재적으로 기여할 수 있습니다.

탄소 나노튜브와 유기 용매는 탄소 나노튜브 섬유가 암 발병 위험을 초래하는 폐로 들어갈 수 있기 때문에 항상 후드 내부에서 처리되어야 합니다.