Methodenartikel

Bioinspired Soft Robot met ingebouwde micro-elektroden

DOI:

10.3791/60717

⸱

28 februari 2020

 ,  ,  , 
1Division of Engineering in Medicine, Department of Medicine, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, 2School of Medicine, Jiangsu University, 3Tech4Health and Neuroscience Institutes, NYU Langone Health, 4Department of Electronics and Telecommunication, Politecnico di Torino

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een bioinspired steiger wordt vervaardigd door een zachte fotolithografietechniek met mechanisch robuuste en elektrisch geleidende hydrogels. De micropatroon hydrogels bieden directionele cardiomyocyte cel uitlijning, wat resulteert in een op maat gemaakte richting van actuatie. Flexibele micro-elektroden zijn ook geïntegreerd in het schavot om elektrische controleerbaarheid voor een zelf-actulerend hartweefsel te brengen.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biogeïnspireerde zachte robotsystemen die levende organismen nabootsen met behulp van gemanipuleerd spierweefsel en biomaterialen zijn een revolutie in het huidige bioroboticaparadigma, vooral in biomedisch onderzoek. Het recreëren van kunstmatige levensachtige actuatiedynamiek is cruciaal voor een zacht-robotsysteem. Echter, de nauwkeurige controle en tuning van actuatie gedrag vertegenwoordigt nog steeds een van de belangrijkste uitdagingen van de moderne zachte robotsystemen. Deze methode beschrijft een goedkope, zeer schaalbare en gebruiksvriendelijke procedure om een elektrisch bestuurbare zachte robot te fabriceren met levensechte bewegingen die wordt geactiveerd en gecontroleerd door de samentrekking van hartspierweefsel op een micropatroonsteek ray-achtige hydrogel steiger. Het gebruik van zachte fotolithografiemethoden maakt het mogelijk om meerdere componenten succesvol te integreren in het zachte robotsysteem, waaronder op micropatroon hydrogel gebaseerde steigers met koolstofnanobuisjes (CNT's) embedded gelatine methacryloyl (CNT-GelMA), poly(ethyleenglycol) diacrylaat (PEGDA), flexibel goud (Au) micro-elektroden en hartspierweefsel. In het bijzonder zijn de hydrogels uitlijning en micropatroon ontworpen om de spier- en kraakbeenstructuur van de steekstraal na te bootsen. De elektrisch geleidende CNT-GelMA hydrogel fungeert als een celsteiger die de rijping en contractie gedrag van cardiomyocyten verbetert, terwijl de mechanisch robuuste PEGDA hydrogel structurele kraakbeen-achtige ondersteuning biedt aan de hele zachte robot. Om de harde en broze aard van op metaal gebaseerde micro-elektroden te overwinnen, ontwierpen we een serpentinepatroon dat een hoge flexibiliteit heeft en kan voorkomen dat de kloppende dynamiek van cardiomyocyten wordt belemmerd. De ingebouwde flexibele Au-micro-elektroden zorgen voor elektrische stimulatie in de zachte robot, waardoor het gemakkelijker wordt om het contractiegedrag van hartweefsel te beheersen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Moderne state-of-the-art zachte robots kunnen de hiërarchische structuren en spierdynamiek van vele levende organismen nabootsen, zoals de kwallen1,2,sting ray2,octopus3,bacteriën4en sperma5. Het nabootsen van de dynamiek en architectuur van natuurlijke systemen biedt hogere prestaties in termen van zowel energetische als structurele efficiëntie6. Dit is intrinsiek gerelateerd aan de zachte aard van natuurlijk weefsel (bijvoorbeeld huid- of spierweefsel met een Young's modulus tussen 104....

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie werd uitgevoerd in strikte overeenstemming met de aanbevelingen in de Gids voor de Zorg en Het gebruik van Proefdieren van de National Institutes of Health. Het protocol werd goedgekeurd door het institutioneel Comité voor dierenverzorging en -gebruik (IACUC) van brigham en vrouwenziekenhuis.

1. GelMA-synthese

  1. Los 10 g gelatine op in 100 mL van Dulbecco's fosfaatgebufferde zoutoplossing (DPBS) met behulp van een magnetische roerstaaf bij 50 °C.
  2. Voeg 8 mL methacryl anhydride langzaam toe terwijl u de gelatineprepolymeeroplossing bij 50 °C gedurende 2 uur roert. Verdun de gereageerde gelatineoplossing met voorv....

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Stroomdiagram van de stappen voor de ontwikkeling van de Au micro-elektrode-geïntegreerde biogeïnspireerde zachte robot
Het doel van het zachte robotontwerp was om een membraan te bouwen dat in staat is om een zwembeweging met minimale complexiteit te bedienen. De structuur moet in staat zijn om sterke flexie herhaaldelijk te ondersteunen na verloop van tijd (ongeveer 1 Hz) en in staat zijn om zijn vorm te behouden, terwijl het bereiken van een sterke afstraffing. Door selectief foto crosslinking van .......

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Met behulp van deze methode konden we met succes een batoïde visachtige biogeïnspireerde zachte robot fabriceren met een geïntegreerd zelf-actulerend hartweefsel op een meerlaags gestructureerd schavot dat wordt gecontroleerd door ingebedde Au-micro-elektroden. Door twee verschillende micropatroon hydrogel lagen gemaakt van PEGDA en CNT-GelMA hydrogels, de bio-geïnspireerde steiger toonde een goede mechanische stabiliteit en ideale cel uitlijning en rijping. De PEGDA patroonlaag, die dient als kraakbeengewricht van de sk.......

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit document werd gefinancierd door de National Institutes of Health (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), het Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award, en AHA Innovative Project Award (19IPLOI34660079).

....

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
250 mL BeakerPYREX1000-250CNEa
2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiofenonSigma-Aldrich410896
3-(Trimethoxysilyl)propylmethacrylaatMiliporeM6514
37° Water bathVWRW6M
4',6-diamidino-2-fenylindole (DAPI)Sigma-AldrichD9542
50mL Conical Centrifuge TubesFalcon14-959-49A
70 µm Cell StrainerFalcon352350
80° incubatorVWR1370GM
Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG (H+L)InvitrogenA11029
Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG (H+L)InvitrogenA11037
Alexa Fluor 488 PhalloidinInvitrogenA12379
Antibiotic/Antimycotic solutionThermoFisher Scientific15240062
Anti-Connexin 43/GJAI antibodyAbcamab11370Konijn polyklonaal
Anti-Sarcomeric α-actinineAbcamab9465Muis monoklonaal
Benchtop Freeze DryersLabconco77500-00 K
Biosafety cabinetSterilgardA/B3
Carbon rod electrodesSGL Carbon Group6971105
CentrifugeEppendorf5804
CO2 incubatorForma Scientific3110
Collageenase, Type II, PoederGibco17-101-015
Confocal MicroscopeZeissLSM 880
COOH Functionele Koolstof NanobuizenNanoLabPD30L5-20-COOH
Dicing saw machineGiorgio TechnologyDAD-321
DMEM, High GlucoseGibco11-965-118
DPBS zonder Calcium en MagnesiumGibco14-190-144
E-beam evaporatorCHA57367
Fetal Bovine SerumGibco10-437-028
GelatineSigma-AldrichG9391Type B, 300 bloom uit varkenshuid
GlijplaatjeVWR48382-180
HBSS zonder Calcium, Magnesium of Fenol RoodGibco14-175-079
Inverted optical microscopeOlympusCK40
Magnetic hotplateCorningPC-420
methacrylic anhydrideSigma-Aldrich276695Bevat 2,000ppm topanol A als inhibitor
Nunc EasYFlask 175cm2ThermoFisher Scientific159910
OlicscopeSiglentSDS1052DL+
Paraformaldehyde Aqueous Solution -16%Electron Microscopy Sciences15710
PDMS SYLGARD 184Sigma-Aldrich761036
PhotomaskMini micro stencil inc
Platinum wireAlfa AesarAA43014BU
Polyethylene glycol dimethcrylatePolysciences Inc.15178-100
Regenerated Cellulose Dialysis TubingFisherbrand21-152-14
Silver Epoxy AdhesiveMG Chemicals8330S
Stericup Quick Release-GP Sterile Vacuum Filtration SystemMilliporeS2GPU02RE
Ultra sonicatorQsonicaQ500
UV Curing SystemOmniCureS2000
Vortex mixerScientific IndustrySI-0246A
Waveform generatorAgilent33500B
Wrap Aluminium foilReynoldsN/A

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nawroth, J. C., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nature Biotechnology. 30 (8), 792-797 (2012).
  2. Park, S. J., et al. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
    3. ....

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Bioinspired Soft RobotCardiac Muscle TissueMicropatterned HydrogelFlexible Gold MicroelectrodesCarbon Nanotube GelMAElectrical StimulationPhotolithography MethodsCardiomyocyte ContractionSting Ray MimicrySerpentine Electrode Design

Gerelateerde artikelen