Bioinspired Soft Robot met ingebouwde micro-elektroden

Onze nieuwe methode voor het fabriceren van elektrisch aangedreven bioinspired actuator kan niet alleen de beperking van de bestaande biohybride actuator overwinnen, maar ook de prestaties van op cellen gebaseerde actuator sterk verbeteren. Met behulp van deze lage kosten en gemakkelijk te hanteren techniek, kan het actuatiegedrag van bioinspired zachte robot worden gecontroleerd en afgestemd, wat leidt tot real-time stimulatie. Onze nieuwe methode kan mogelijk worden uitgebreid naar de toepassing van draadloos aangedreven implanteerbare flexibele elektronische apparaat voor hartregeneratie.

Deze methode kan ook dienen als een nieuw platform voor de studie van de lokale elektrische stimulatie van cel latente constructies. Begin met het oplossen van 80 milligram GelMA in vier milliliter van Dulbecco's PBS. Voeg vervolgens 20 milligram carboxylzuur gefunctionaliseerd multiwalled koolstof nanobuisjes en sonicaat de oplossing voor een uur op 660 millihertz en 100 watt.

Om micropatterned PEGDA te maken, plaats een laag van 50 micrometer dikke commerciële transparante tape op een TMSPMA gecoate glazen schuif, giet 15 microliters van 20%PEGDA prepolymeer oplossing op de top van de gecoate glazen glijbaan, dan bedekken met gouden micro-elektroden. Plaats het eerste fotomasker op de top van de dia en stel de hele constructie bloot aan 200 watt ultraviolet licht op 800 milliwatt intensiteit en een afstand van acht centimeter gedurende 110 seconden. Zet aan het einde van de UV-belichting de glazen schuif in dulbecco's PBS.

Voeg een 20 microliter druppel van de koolstof nanobuis GelMA prepolymeer oplossing tussen de afstandhouders. Maak na vijf tot tien minuten voorzichtig de micropatroon PEGDA hydrogel en de gouden micro-elektroden los van het ongecoate glazen substraat en plaats de glijbaan ondersteboven op de afstandhouders. Bevestig de glijbaan met plakband aan de schotel en draai de hele montage ondersteboven.

Plaats het tweede fotomasker op de glazen schuif en stel de montage bloot aan UV-licht zoals aangetoond gedurende 200 seconden. Aan het einde van de blootstelling, was het schavot een keer met verse Dulbecco's PBS en een keer met celkweek medium aangevuld met 10% foetale runderserum. Plaats vervolgens de steiger in vers medium in een nieuwe Petri schotel in een 37 graden Celsius incubator 's nachts.

Na cardiomyocyte isolatie van twee dagen oude neonatale rattenharten volgens standaardprotocollen, resuspend de cellen op een 1.95 keer 10 tot de zes cellen per milliliter van cardiale middelgrote concentratie en zaad de cellen op de gefabriceerde zachte robot in druppels. Wanneer het gehele oppervlak van het apparaat is bedekt, worden de monsters gedurende vijf dagen bij 37 graden Celsius geïncuneerd en de kweeksupernatant vervangen door vijf milliliter verscelkweekmedium, aangevuld met 2%foetaal runderserum en 1%L-glutamine op de eerste en de tweede dagen na het zaaien. Om het spontane kloppen van de cardiomyocyten op de zachte robot te beoordelen, vanaf dag drie van de cultuur, plaatst u de robot op een omgekeerdtisch microscoopstadium en gebruikt u een 5X- of 10X objectieve en video-opnamesoftware om de cardiomyocyte-activiteit gedurende 30 seconden bij 20 frames per seconde in beeld te brengen.

Gebruik op dag vijf een afdekplaat om de membranen aan de rand voorzichtig op te tillen. Met behulp van een drie centimeter afstand PDMS als houder, breng twee carbon staaf elektroden met platina draad op een zes centimeter Petri schotel gevuld met cardiale medium en zorgvuldig overbrengen van de zachte robot naar de schotel. Breng vervolgens een vierkante golfvorm aan met een pulsbreedte van 50 milliseconden, gelijkstroomverschuivingswaarde van nul volt en piekspanningsversterker tussen 0,5 en zes volt.

Voor elektrische stimulatie met de gouden micro-elektroden, na fabricage van meerlaagse constructie, gebruik zilverpasta om twee koperen draden te bevestigen aan de gouden elektroden via een externe vierkante poort en bedek de pasta met een dunne laag PDMS voorverhard op 80 graden Celsius gedurende vijf minuten. Plaats het monster vervolgens vijf uur op een hete plaat op 45 graden Celsius om de PDMS volledig te kruisen. Na het zaaien cardiomyocyte op de draden aangesloten zachte robot, een vierkante golf elektrische stimulus op de koperdraden met de gelijkstroom offset waarde van een volt, een piek spanning amplitude tussen 1,5 en vijf volt, en frequenties van 0,5, een, en twee hertz respectievelijk.

Deze zachte robots zijn ontworpen door de patronen van twee verschillende waterdieren, de zeester en de mantastraal, te biomimiceren. De cardiomyocyte gezaaid koolstof nanobuis GelMA lagen vertoonde verschillende kloppend gedrag volgens het patroon afstanden. Om onomkeerbare volledige rol van de zachte robot tijdens het dynamisch slaan van de cardiomyocyten te voorkomen, werd de patroonafstand van de PEGDA hydrogel steunlaag geoptimaliseerd tot 300 micrometer.

In deze frames verkregen uit contractie opnames, een manta straal vormige actuator kan duidelijk worden waargenomen buigen van de vleugels zoals verwacht met de staart balanceren van de structuur door het rechttrekken wanneer de vleugels waren robuust sluiten in het midden. Sommige van de membranen tonen een roterende beweging, terwijl contractering als gevolg van verkeerd uitgelijnde micropatterned koolstof nanobuis GelMA en PEGDA hydrogels. Cardiale weefsel op micropatterned PEGDA en koolstof nanobuis GelMA patronen kunnen ook worden gevisualiseerd door F-actin DAPI confocale beeldvorming.

Gedeeltelijke uniaxiale sarcomere uitlijning en onderling verbonden sarcomere structuren kunnen ook worden waargenomen op de patroongebieden door confocale microscopie en goed onderling verbonden sarcomere structuren van hartweefsels direct boven de micro-elektroden. De excitatiedrempelspanning is verschillend bij verschillende frequenties van elektrische stimulus door de externe koolstofelektrode of koperdraad die op de gouden elektrode wordt aangesloten. Het UV-crosslinkingproces van PEGDA en de GelMA micropatterning met behulp van fotomaskers is belangrijk voor het verkrijgen van hoogwaardige gouden micro-elektronegrode met overdekt meerlaags.

Bioprinting kan worden gebruikt voor het fabriceren van micropatterned hydrogel en flexibele elektrode. We gebruikten bioprinting om geometrisch goed gedefinieerde zachte robot te verkrijgen op een snelle, goedkope en hoge doorvoermanier. Onze methode kan mogelijk bijdragen aan de ontwikkeling van de draadloze elektrische stimulatie van zachte robot door integratie van flexibele elektronische apparaten direct in hydrogel-gebaseerde steiger.

Koolstof nanobuis en organische oplosmiddelen moeten altijd worden behandeld in een kap als de koolstof nanobuis vezels kunnen hun weg te maken in de longen vormen een risico voor de ontwikkeling van kanker.