Artykuł metodologiczny

Siłownik oparty na komórkach mięśnia sercowego i samostabilizujący się biorobot - CZĘŚĆ 1

7.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55642

⸱

11 lipca 2017

 ,  ,  ,  , 
1Division of Electrical and Computer Engineering, Louisiana State University, 2Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Bioengineering Graduate Program, University of Notre Dame

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

W tym dwuczęściowym badaniu, biologiczny siłownik został opracowany przy użyciu wysoce elastycznych wsporników polidimetylosiloksanu (PDMS) i żywych komórek mięśniowych (kardiomiocytów) i scharakteryzowany. Aktywator biologiczny został połączony z podstawą wykonaną ze zmodyfikowanych materiałów PDMS w celu zbudowania samostabilizującego się, pływającego biorobota.

Streszczenie

Biologiczne maszyny, często nazywane biorobotami, to żywe urządzenia oparte na komórkach lub tkankach, które są zasilane wyłącznie przez aktywność skurczową żywych komponentów. Ze względu na swoje nieodłączne zalety, bioroboty zyskują zainteresowanie jako alternatywa dla tradycyjnych, w pełni sztucznych robotów. Różne badania koncentrowały się na wykorzystaniu mocy siłowników biologicznych, ale dopiero niedawno w badaniach ilościowo scharakteryzowano wydajność biorobotów i zbadano ich geometrię w celu zwiększenia funkcjonalności i wydajności. Tutaj demonstrujemy rozwój samostabilizującego się biorobota pływającego, który może utrzymać swoje nachylenie, głębokość i przechylenie bez interwencji z zewnątrz. W pierwszej części opisano projekt i wykonanie rusztowania PDMS dla siłownika biologicznego i biorobota, a następnie funkcjonalizację fibronektyną. W drugiej części tego dwuczęściowego artykułu szczegółowo opisujemy inkordiomiocyty i charakteryzujemy funkcję siłownika biologicznego i biorobota. Oba zawierają podstawę i ogon (wspornik), które wytwarzają napęd oparty na płetwach. Ogon jest zbudowany technikami miękkiej litografii z wykorzystaniem PDMS i grawerowania laserowego. Po włączeniu ogona do podstawy urządzenia, jest on funkcjonalizowany białkiem adhezyjnym komórek i wysiewany zlewająco z kardiomiocytami. Podstawa siłownika biologicznego składa się z solidnego bloku PDMS z centralnym szklanym koralikiem (działa jak obciążnik). Podstawa biorobota składa się z dwóch kompozytowych materiałów PDMS, Ni-PDMS i microballoon-PDMS (MB-PDMS). Proszek niklowy (w Ni-PDMS) umożliwia magnetyczne sterowanie biorobotem podczas wysiewu komórek i stabilność podczas lokomocji. Mikrobalony (w MB-PDMS) zmniejszają gęstość MB-PDMS i umożliwiają biorobotowi stabilne unoszenie się i pływanie. Zastosowanie tych dwóch materiałów o różnej gęstości masy, umożliwiło precyzyjną kontrolę rozkładu masy, aby zapewnić dodatnią siłę przywracania pod dowolnym kątem biorobota. W wyniku tej techniki powstaje magnetycznie sterowany, samostabilizujący się biorobot pływający.

Wprowadzenie

Biologiczne siłowniki i bioroboty są aktywnie badane, aby zapewnić alternatywę dla konwencjonalnej robotyki dla wielu zastosowań. Bioroboty, które chodzą5,6,7,8, swim1,2,3,4, pump9,10, lub grip11,12,13 zostały już opracowane. Podobnie, komórki mięśniowe mogą być włączone do zwijanej struktury PDMS 3D14. Często szkielety biorobotów są wytwarzane przy użyciu technik miękkiej litografii z materiałów takich jak hydrożele i PDMS (polidimetylosiloksan). Są to atrakcyjne wybory ze względu na ich elastyczność, biokompatybilność i łatwą do dostosowania sztywność. Żywe komórki mięśniowe są zwykle połączone z tymi materiałami, aby zapewnić wytwarzanie siły poprzez skurcz. Komórki mięśnia sercowego ssaków (kardiomiocyty) i komórki mięśni szkieletowych były głównie wykorzystywane do aktywacji. Oprócz tych dwóch, tkanki mięśniowe owadów były używane do obsługi biorobotów w temperaturze pokojowej3. W tym dwuczęściowym badaniu kardiomiocyty zostały wybrane ze względu na ich spontaniczny skurcz6.

Wiele wcześniejszych badań nad biorobotami skupiało się na rozwoju biologicznych aktywatorów, podczas gdy optymalizacja architektury biorobotów i rozwój podstawowych funkcji dla biorobotów były w dużej mierze zaniedbywane. Ostatnio w kilku raportach zademonstrowano implementację różnych trybów pływania, które były inspirowane trybami napędu występującymi w naturze. Metody te obejmują filmy PDMS i komórki mięśniowe, aby naśladować różne naturalne metody napędu. Na przykład, zgłoszono napęd oparty na wiciach1, biomimetyczne napędy meduz2, bio-hybrydowe ray4 oraz cienkowarstwowe urządzenia do pływania PDMS13.

W tym artykule przedstawiamy proces produkcji samostabilizujących się biorobotów pływających, które mogą utrzymać głębokość zanurzenia, a także pochylenie i przechylenie. Biorobot ma solidną podstawę lub korpus, który jest napędzany przez pojedynczy wspornik z kardiomiocytami przymocowanymi do jego powierzchni. Kardiomiocyty powodują, że wspornik zgina się w kierunku wzdłużnym, gdy się kurczą. Ta forma pływania jest klasyfikowana jako pływanie ostracyzmowe. Możliwość dodawania dodatkowych funkcjonalności na bazie to wyjątkowa zaleta pływania ostracyzmowego. Na przykład podstawa może być wykorzystana do zapewnienia nadmiernej wyporności do przenoszenia dodatkowych ładunków lub obwodów sterujących skurczem kardiomiocytów.

Stabilność biorobota była często pomijana w poprzednich badaniach biorobotów. W tym badaniu zaimplementowaliśmy samostabilizację poprzez zaprojektowanie podłoża z różnych materiałów kompozytowych PDMS o różnej gęstości masy. Dzięki temu biorobot wykazuje odporność na zakłócenia zewnętrzne i samodzielnie utrzymuje głębokość zanurzenia, nachylenie i przechylenie. Pierwszą warstwą jest Microballoon PDMS (MB-PDMS), czyli PDMS zmieszany z mikrobalonami, który obniża gęstość biorobota, umożliwiając mu unoszenie się w pożywce. Druga warstwa to wspornik PDMS, a jego grubość jest dostosowana tak, że siła generowana przez kardiomiocyty może radykalnie wygiąć wspornik z 45° do 90°. Dolna warstwa to nikiel-PDMS (Ni-PDMS), czyli PDMS zmieszany z proszkiem niklowym. Ta warstwa pełni wiele funkcji. Jest magnetyczny, dzięki czemu biorobot może być zakotwiczony na dnie pożywki, podczas wysiewu komórek, za pomocą magnesu. Mieszanina niklu ma większą gęstość niż MB-PDMS i medium i zapewnia pionową pozycję biorobota podczas pływania. Ciężar tej warstwy generuje moment przywracający na biorobocie przy dowolnym nachyleniu i przechyleniu. Również stosunek objętości między Ni-PDMS a MB-PDMS utrzymuje głębokość zanurzenia. Przedstawione protokoły byłyby bardzo przydatne dla badaczy zainteresowanych charakterystyką siły bicia komórek i tkanek mięśniowych, a także dla tych, którzy chcą zbudować bioroboty pływające.

Początki funkcjonalizowanego aktywatora biologicznego i urządzeń biorobota, mechaniczna i biochemiczna charakterystyka komórek oraz analiza ilościowa funkcji urządzenia są szczegółowo opisane w części 2 tego dwuczęściowego artykułu, jak również w najnowszej pracy15.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Obliczenie masy PDMS i dodatków

  1. Użyj poniższego równania, aby obliczyć masę PDMS wymaganą do uzyskania konkretnych wysokości w następujących procedurach,
    M = ϱ*V = ϱ * Height*Area          (1),
    gdzie „Height” to wysokość warstwy, „Area” to powierzchnia pojemnika, w którym utwardzany będzie PDMS, „ϱ” to gęstość mieszaniny, a „V” to objętość.
    UWAGA: Gęstości do obliczeń wysokości wynoszą: PDMS = 0.965 g/mL, Ni-PDMS = 1.639 g/mL, MB-PDMS = 0.648 g/mL.
  2. Użyj równania (1), aby oszacować masę PDMS wymaganą dla danego pojemnika w celu uzyskania określonej wysokości (5 mm) podstawy biologicznego aktuatora. Wynikowa gęstość PDMS wynosi 0.965 g/mL.
    UWAGA: Stosunek masy bazy do czynnika utwardzającego wynosi 10:1.
    Mbazy = ϱ*V = ϱ*V*(figure-protocol-1)          (2)
    Mczynnika utwardzającego = ϱ*V = ϱ*V*(figure-protocol-2)
  3. Użyj równania (1), aby obliczyć masę Ni-PDMS wymaganą dla danego pojemnika w celu uzyskania określonej wysokości (1.5 mm) dolnej podstawy biorobota.
    UWAGA: Stosunki masowe wynoszą 1:1.88 (proszek niklowy do PDMS) oraz 1:1.71:0.171 (proszek niklowy do bazy PDMS do czynnika utwardzającego PDMS). Wynikowa gęstość Ni-PDMS wyniesie 1.639 g/mL.
    MNiklu = ϱ*V = ϱ*V*(figure-protocol-3)          (3)
    Mbazy = ϱ*V = ϱ*V*(figure-protocol-4)
    Mczynnika utwardzającego = ϱ*V = ϱ*V*(figure-protocol-5)
  4. Analogicznie, użyj równania (1), aby obliczyć masę MB-PDMS wymaganą dla danego pojemnika w celu uzyskania określonej wysokości (3.5 mm) górnej podstawy biorobota.
    UWAGA: Stosunki masowe wynoszą 1:5 (mikropęcherzyki do PDMS) oraz 1:4.54:0.454 (mikropęcherzyki do bazy PDMS do czynnika utwardzającego PDMS). Wynikowa gęstość MB-PDMS wyniesie 0.648 g/mL.
    MMikropęcherzyków = ϱ*V = ϱ*V*(figure-protocol-6)          (4)
    Mbazy = ϱ*V = ϱ*V*(figure-protocol-7)
    Mczynnika utwardzającego = ϱ*V = ϱ*V*(figure-protocol-8)
  5. Sprawdź stabilność dynamiczną biorobota o pożądanych wymiarach i geometrii, korzystając ze skryptów analizy; zapoznaj się z informacjami uzupełniającymi: „Biorobot_dynamic_stability.m” oraz „CG_CB_calculation.m”.

2. Fabrykacja siłowników biologicznych na podstawie stacjonarnej

UWAGA: Patrz Rysunek 1a.

  1. Naniesienie cienkiej warstwy PDMS metodą spin-coatingu (patrz Rysunek 1a-1 i a2). Grubość otrzymanej warstwy PDMS wyniesie 25 µm.
    1. Umieść wafele krzemowy na wirówce do fotorezystu i włącz pompę, aby wytworzyć podciśnienie.
      UWAGA: Wafele krzemowy ma średnicę 4 cali i grubość 500 µm.
    2. Wlej pozytywny fotorezyst (np. S1808) na wafele krzemowy, aż zostanie on całkowicie pokryty. Zaprogramuj wirówkę na 2 000 rpm przez 20 s. Następnie uruchom wirówkę, naciskając pedał. Po zakończeniu wirowania wyłącz podciśnienie.
    3. Rozgrzej płytę grzewczą do 120 °C. Używając pęsety do wafli, pobierz wafele krzemowy z wirówki i umieść go bezpośrednio na płycie grzewczej. Przykryj wafele płytką Petriego i wypalaj przez 10 min.
      UWAGA: Do wypalania wafli można użyć piekarnika w tej samej temperaturze i czasie. Rysunek 1a-1 przedstawia ten proces.
    4. Umieść plastikowy pojemnik na wadze i wytaruj ją. Wlej do pojemnika 6 g bazy PDMS i dodaj 0,6 g utwardzacza PDMS. Dokładnie mieszaj PDMS przez 5 min.
      UWAGA: Po zmieszaniu mieszanina powinna być jednorodna z pęcherzykami powietrza.
    5. Umieść pojemnik z wymieszanym PDMS w komorze próżniowej. Obniż ciśnienie w komorze do 100 mbar i pozostaw pojemnik w niej przez 30 min. Przerwij próżnię i wyjmij pojemnik. Przechowuj pojemnik przykryty do momentu użycia.
    6. Umieść wafele krzemowy z wypaloną warstwą fotorezystu na wirówce. Powoli wlej całą odgazowaną mieszaninę PDMS na wafele.
      UWAGA: Wlej powoli, aby do mieszaniny nie dostały się nowe pęcherzyki powietrza.
    7. Ustaw wirówkę na 1 200 rpm przez 5 min. Włącz podciśnienie wirówki i uruchom urządzenie. Po zakończeniu wirowania wyłącz podciśnienie.
      UWAGA: Takie ustawienia pozwalają uzyskać warstwę PDMS o grubości 25 µm.
    8. Rozgrzej piekarnik do 40 °C. Używając pęsety do wafli, pobierz wafele krzemowy z wirówki, a następnie umieść go w piekarniku. Wypalaj wafele przez noc, a następnie schłodź go w temperaturze pokojowej.
      UWAGA: Rysunek 1a-2 przedstawia ten proces.
  2. Grawerowanie laserowe cienkiej warstwy PDMS.
    1. Włącz zasilanie grawerki laserowej oraz jej wyciąg. Włącz komputer podłączony do grawerki. Otwórz oprogramowanie grawerki laserowej.
    2. W opcji „Plik” (File) otwórz plik projektu aktuatora biologicznego pokazany na Rysunku 2e.
      1. Naciśnij przycisk „Ustawienia” (Settings). Kliknij „Niebieski” (Blue) i zmień ustawienie mocy na 3% oraz prędkość na 4%. Kliknij „Ustaw” (Set). Kliknij „Czarny” (Black) i zmień „Tryb” (Mode) na pomijanie (skip). Następnie kliknij „Ustaw” (Set). Zrób to samo dla koloru „Czerwony” (Red). Naciśnij przycisk „Zastosuj” (Apply), aby zakończyć konfigurację.
      2. Naciśnij przycisk „Aktywuj grawerkę” (Activate the Engraver) w prawym górnym rogu.
    3. Naciśnij przycisk „Relokuj” (Relocate), aby przenieść projekt na środek ekranu oprogramowania.
    4. Naciśnij przycisk „Widok ostrości” (Focus View) w programie i kliknij krawędź biorobota na ekranie. Spowoduje to przesunięcie prowadzącego punktu laserowego grawerki do odpowiadającego mu punktu.
    5. Przesuń wafele ręcznie za pomocą pęsety tak, aby punkt na wafli odpowiadający punktowi klikniętemu w kroku 2.2.4 znajdował się bezpośrednio pod prowadzącym punktem laserowym.
    6. Naciśnij przycisk „Rozpocznij grawerowanie poprzedniego zadania” (Start engraving the prior job), aby rozpocząć proces grawerowania. Wyjmij wafele po zakończeniu grawerowania. Wyłącz cały sprzęt.
      UWAGA: Przycisk „Rozpocznij grawerowanie poprzedniego zadania” to duży zielony trójkąt. Nie patrz bezpośrednio na proces grawerowania, ponieważ laser może uszkodzić oczy. Rysunek 1a-3 przedstawia ten proces.
  3. Przygotowanie i wykonanie podstawy aktuatora biologicznego.
    1. Wsyp koraliki szklane (średnica 3 mm) do probówki 15 mL. Zanurz koraliki w 70% etanolu w wodzie DI na 24 h. Usuń etanol i napełnij probówkę wodą DI na 24 h. Wylej wodę DI i umieść probówkę na płycie grzewczej w temperaturze 50 °C, aby ułatwić suszenie koralików szklanych.
    2. Dodaj 3 g do ilości PDMS wyznaczonej w równaniu (1), aby uwzględnić PDMS, który przyklei się do ścianek pojemnika podczas nalewania. Skorzystaj z równania (2), aby wyznaczyć ilości bazy PDMS i utwardzacza.
    3. Umieść plastikowy pojemnik na wadze i wytaruj ją. Wlej do pojemnika ilość bazy PDMS wyznaczoną w kroku 2.3.2 i ponownie wytaruj wagę. Następnie wlej do pojemnika ilość utwardzacza PDMS wyznaczoną w kroku 2.3.2.
    4. Dokładnie mieszaj PDMS przez 5 min.
      UWAGA: PDMS jest używany w stosunku bazy do utwardzacza 10:1. Mieszanina powinna zawierać wiele pęcherzyków.
    5. Umieść pojemnik przeznaczony do wypalania na wadze i wytaruj ją. Ostrożnie wlej do pojemnika odpowiednią ilość PDMS wyznaczoną w kroku 2.3.2 (i wymieszaną w kroku 2.3.4). W regularnych odstępach czasu wrzucaj oczyszczone koraliki szklane do mieszaniny PDMS. Pozostaw minimum 5 mm odstępu wokół każdego koralika dla podstawy aktuatora biologicznego.
    6. Umieść pojemnik w komorze próżniowej. Obniż ciśnienie próżni do 100 mbar i wyłącz pompę próżniową. Po 30 min przerwij próżnię i wyjmij pojemnik. Przechowuj przykryty do momentu użycia.
      UWAGA: Ciśnienie w komorze może powoli rosnąć w czasie, ponieważ mieszanina odgazowuje, a komora próżniowa może przeciekać. Jeśli ciśnienie wzrośnie znacznie powyżej 100 mbar, włącz pompę próżniową, aby przywrócić ciśnienie do 100 mbar.
    7. Rozgrzej płytę grzewczą do 40 °C. Ostrożnie umieść pojemnik z PDMS i koralikami szklanymi na płycie grzewczej. Przykryj pojemnik i wypalaj przez noc.
  4. Montaż aktuatora biologicznego.
    UWAGA: Poniższą procedurę można przeprowadzić gołym okiem.
    1. Wytnij kostki (5 mm x 5 mm x 5 mm) z litego PDMS wykonanego w części 2.3, używając ostrza żyletki.
      UWAGA: W centrum każdej kostki powinien znajdować się jeden koralik.
    2. Oczyść wszystkie strony każdej podstawy aktuatora biologicznego, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia z powierzchni podstawy, dociskając podstawę do taśmy i odrywając ją. Powtórz dla każdej strony.
    3. Powtórz kroki od 2.3.2 do 2.3.6, aby przygotować niewielką ilość płynnego PDMS. Zanurz końcówkę igły w płynnym PDMS. Nanieś kroplę płynnego PDMS na wygrawerowany obszar podstawy wafli uformowany w kroku 2.2. Rozetrzyj kroplę PDMS tak, aby całkowicie pokryła obszar podstawy o wymiarach 5 mm x 5 mm.
      UWAGA: Obszar podstawy to środkowa kwadratowa sekcja na Rysunku 2a.
    4. Używając pęsety, umieść oczyszczoną kostkę z kroku 2.4.2 na obszarze podstawy pokrytym płynnym PDMS.
    5. Powtórz krok 2.4.3 od momentu „Nanieś kroplę płynnego PDMS” do końca oraz krok 2.4.4 dla każdego urządzenia, które będzie wykonane.
    6. Rozgrzej płytę grzewczą do 40 °C. Ostrożnie umieść wafele krzemowy z zmontowanymi elementami na płycie grzewczej. Przykryj wafele i wypalaj przez noc.
      NOTE: Pozostaw zmontowane elementy przymocowane do momentu użycia. Rysunek 1a-4 przedstawia gotowe urządzenie.

3. Konstrukcja biorobotów (Rysunek 1b)

  1. Naniesienie cienkiej warstwy PDMS metodą spin-coatingu i grawerowanie laserowe
    1. Powtórz wszystkie kroki z punktów 2.1 i 2.2, używając nowego wafla krzemowego. W wyniku tego powstanie wafel krzemowy z cienką warstwą PDMS oraz cienką warstwą fotorezystu, w której wygrawerowano projekt biorobota.
      UWAGA: Podczas powtarzania kroku 2.2, do grawerowania laserowego użyj projektu biorobota zamiast wcześniej stosowanego projektu biologicznego siłownika. Rysunki 1b-1 oraz b-3 przedstawiają te procesy.
  2. Przygotowanie i wytwarzanie kompozytów PDMS.
    UWAGA: Poniższą procedurę można przeprowadzić gołym okiem.
    1. Wsyp fenolowe mikrokulki do probówki 50 mL, aż będzie pełna. Napełnij probówkę 70% etanolem w wodzie DI i pozostaw na 24 h. Odlej etanol, dodaj wodę DI i pozostaw na kolejne 24 h. Odlej wodę DI, a następnie umieść probówkę na płycie grzejnej w temperaturze 50 °C, aby ułatwić suszenie mikrokulek przed użyciem.
    2. Wykorzystaj równanie (1) z gęstością MB-PDMS i wysokością 3,5 mm, aby wyznaczyć wymaganą objętość PDMS. Dodaj 3 g do całkowitej ilości, aby uwzględnić materiał, który pozostanie w pojemniku po przelewaniu. Skorzystaj z równania (3), aby wyznaczyć ilości bazy PDMS i czynnika sieciującego. Odmierz odpowiednią ilość bazy PDMS, czynnika sieciującego i mikrokulek za pomocą wagi.
    3. Wykorzystaj równanie (1) z gęstością Ni-PDMS i wysokością 1,5 mm, aby wyznaczyć wymaganą objętość PDMS. Dodaj 3 g do całkowitej ilości, tak jak w kroku 3.2.2. Skorzystaj z równania (2), aby wyznaczyć ilości bazy PDMS i czynnika sieciującego. Odmierz odpowiednią ilość bazy PDMS, czynnika sieciującego i proszku niklowego za pomocą wagi.
    4. Mieszaj każdą mieszaninę MB-PDMS i Ni-PDMS przez 5 min. Ostrożnie przelej odpowiednią ilość MB-PDMS i Ni-PDMS obliczoną w punktach 3.2.2 i 3.2.3 do oddzielnych pojemników, używając wagi.
      UWAGA: Mieszaniny należy dokładnie wymieszać za pomocą metalowego lub szklanego pręta, nie rysując dolnej powierzchni pojemnika do mieszania. Mieszanina będzie jednorodna z pęcherzykami powietrza.
    5. Umieść oba pojemniki w komorze próżniowej. Obniż ciśnienie do 100 mbar na 30 min. Przerwij próżnię i wyjmij pojemniki. Przechowuj przykryte do momentu użycia.
    6. Rozgrzej płytę grzejną do 40 °C. Umieść pojemniki z MB-PDMS i Ni-PDMS na płycie grzejnej. Przykryj każdy pojemnik i wypalaj przez noc.
      UWAGA: Przechowuj z pokrywką do momentu użycia.
  3. Montaż biorobota.
    1. Wytnij z Ni-PDMS i MB-PDMS podstawy biorobota o wymiarach odpowiadających każdemu rozmiarowi biorobota, używając żyletki. Projekty podstaw przedstawiono na rysunku 2b-2d.
      UWAGA: Grubość Ni-PDMS wynosi 1,5 mm, a grubość MB-PDMS 3,5 mm.
    2. Oczyść wszystkie strony podstaw biorobota, aby usunąć zanieczyszczenia z powierzchni, dociskając podstawę do taśmy, a następnie ją zdejmując. Powtórz dla każdej strony.
    3. Włącz generator koronowy. Przystaw końcówkę generatora koronowego 1 cm nad podstawę z Ni-PDMS, która jest umieszczona na metalowej płytce z przełożoną chusteczką do czystych pomieszczeń. Przesuwaj końcówkę wokół podstawy przez 15 s, aby potraktować powierzchnię.
      UWAGA: Między generatorem koronowym a waflem powinno dojść do wyładowania. Jeśli tak się nie stanie, zbliż końcówkę, aż wystąpi wyładowanie.
    4. Powtórz krok 3.3.3, aby potraktować powierzchnię podstawy biorobota wygrawerowanej w kroku 3.1 przez ten sam czas. Używając pęsety, nałóż potraktowaną stronę Ni-PDMS na potraktowaną stronę filmu. Pozostaw urządzenie na 5 min.
      UWAGA: Spowoduje to silne połączenie obu części. Patrz rysunek 1b4.
    5. Używając ostrych pęset, oddziel wspornik biorobota od wafla i umieść go na spodzie podstawy Ni-PDMS. Używając pęsety, zdejmij cały zestaw z wafla.
      UWAGA: Wspornik zostanie przytwierdzony do podstawy Ni-PDMS. Przedstawiają to rysunki 1b-5 oraz b-6.
    6. Nałóż małą kroplę nieutwardzonego PDMS (stosunek bazy do czynnika sieciującego 10:1) na górną powierzchnię podstawy MB-PDMS. Używając pęsety, nałóż stronę Ni-PDMS z cienkim filmem PDMS na MB-PDMS z nieutwardzonym PDMS. Umieść zestaw w plastikowej szalce Petriego, a następnie postaw ją na płycie grzejnej w temperaturze 40 °C, aby utwardzić przez noc.
      UWAGA: Rysunek 1b-7 przedstawia gotowe urządzenie.

4. Funkcjonalizacja urządzeń

UWAGA: Poniżej opisano proces przygotowania urządzeń do wysiewu komórek.

  1. Przygotować niezbędne materiały: roztwór fibronektyny (50 µg/mL), roztwór buforu fosforanowo-solnego (PBS) oraz DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium) uzupełniony o 10% płodowej surowicy bydlęcej (FBS) i 1% antybiotyku penicyliny (DMEM kompletny).
  2. Nanieść 100 µL roztworu fibronektyny na środek kolby hodowlanej T-25 (powierzchnia dna, gdy kolba stoi pionowo). Dla każdego urządzenia należy zachować oddzielne kolby.
  3. Umieścić biorobota lub biologiczny aktuator stroną skierowaną w dół na kroplę roztworu fibronektyny. Należy upewnić się, że wspornik jest rozłożony i zanurzony w kropli. Inkubować w temperaturze 37 ℃ przez 30 min.
  4. Po inkubacji usunąć roztwór fibronektyny i dwukrotnie przemyć PBS.
  5. Usunąć PBS i wypełnić kolbę 10 mL DMEM. Inkubować w temperaturze 37 ℃ przez 1 h w celu ułatwienia odgazowania PDMS. Aby zanurzyć bioroboty w 10 mL pożywki, należy użyć magnesu, aby utrzymać urządzenie na dnie kolby. Umieścić kolbę z próbkami w kąpieli ultradźwiękowej na 5 min w celu usunięcia pęcherzyków powietrza.
    UWAGA: Podczas okresu inkubacji na powierzchni PDMS tworzą się pęcherzyki powietrza, co tutaj określono jako odgazowanie. Ni-PDMS użyty w konstrukcji biorobota jest magnetyczny. Biologiczny aktuator nie wymaga magnesu, ponieważ pozostanie na dnie kolby dzięki ciężarowi szklanej kuleczki. Biorobot lub konstrukcja biologicznego aktuatora są teraz gotowe do zasiewania, co szczegółowo wyjaśniono w części 2.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Procesy wytwarzania siłownika biologicznego i biorobota są do siebie bardzo zbliżone, ponieważ biorobot stanowi naturalne rozwinięcie siłownika biologicznego (Rysunek 1). W pierwszej kolejności opracowano siłownik biologiczny, aby ustanowić techniki niezbędne dla biorobota, przeanalizować siłę generowaną przez komórki oraz scharakteryzować dojrzewanie komórek pod względem mechanicznym i biochemicznym; oba te aspekty zostały szczegółowo opisane w części 2 tego dwuczęściowe...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Wśród pływaków wodnych można znaleźć różne mechanizmy lokomocji16. Mechanizm lokomocji biorobota w tym badaniu wykorzystuje lokomocję opartą na płetwach, a konkretnie lokomocję ostracyjną. Pływacy ostracitopodobni poruszają się, machając ogonem (wspornik) i mając sztywne ciało (warstwowa podstawa)16. Ryby takie jak bukszpan i krowiaki używają tego rodzaju lokomocji. Pływacy z ostryzmą są zazwyczaj powolni i mają nieefektywne wymiary ciała. Chociaż pływanie ostracyzmowe nie ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia

Podziękowania

M. T. Holley jest wspierany przez program Graduate Fellows Rady Regentów Luizjany, a C. Danielson jest wspierany przez Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Badanie to jest wspierane przez grant NSF nr: 1530884. Autorzy pragną podziękować za wsparcie pomieszczenia czystego w Centrum Zaawansowanych Mikrostruktur i Urządzeń (CAMD).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Polidimetylosiloksan (PDMS)Dow Corning184 sil elast kit  0,5kgSylgard 184
Nikiel w proszkuSigma-Aldrich266981-100G
Mikrobalony fenoloweUS CompositesBJO-0930
Wafle krzemoweo średnicy 4 cali
PWM101 lekka przędzarkaPrzędzarka
Dodatni fotorezystor (S1808)Dow CorningDEM-10018197
grzewcza
Komora
M206 mechaniczny pieckonwekcyjny Piec konwekcyjny
Grawer laserowyUniwersalny system laserowyVLS2.30Wykorzystuje 10 W, 10,6 i mikro; m długość fali, CO2 Zastosowanie
uniwersalnych systemówlaserowych Uniwersalny systemAplikacja do uruchamiania VLS 2.30
MatlabMathWorksProgram do analizy numerycznej
Taśma klejącaMarka Scotch Koraliki
szklaneSigma-AldrichZ265926-1EASzkło sodowo-wapniowe, średnica 3 mm
WagaMettler ToledoEL303
BD-20AC Laboratoryjna obróbka koronowaProdukty elektrotechniczne12051AWyładowarka koronowa
Kąpiel ultradźwiękowa 1,9 lFisher Scientific15-337-402Przetwornik przemysłowy 40 kHz
Fibronektyna z osocza bydlęcegoSigma-AldrichF1141
Dulbecco' s Bufor fosforanowy (PBS)Sigma-AldrichD1408-100ML
Dulbecco' s Zmodyfikowane podłoże Eagle Medium (DMEM)Hyclone Laboratories16750-074Z 4500 mg / L glukozy, 4,0 mM L-glutaminy i 110 mg / L pirogronianu sodu.
Surowica Fetalklonu IIIHyclone Industries, GE16777-240Surowica bydlęca
płodu Sól sodowa penicyliny-GSigma-AldrichP3032
Płyta próżniowa laserowy

Bibliografia

  1. Williams, B., Anand, S., Rajagopalan, J., Saif, M. A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number. Nat commun. 5, (2014).
  2. Nawroth, J., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nat Biotechnol. 30 (8), 729-797 (2012).
  3. Huge Herr,, D, A swimming Robot Actuated by Living Muscle Tissue. J Neuroeng. Rehabil. 1, (2004).
  4. Park, S., al, el Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
  5. Chan, V., Park, K., Colleens, M., Kong, H., Saif, T., Bashir, R. Development of miniaturized walking biological machines. Sci. Rep. 2, 857(2012).
  6. Cvetkovic, C., et al. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle. PNAS. 111, 10125-10130 (2014).
  7. Xi, J., Scmidt, J., Montemagno, C. Self-assembled microdevices driven by muscle. Nat. Mater. 4, 180-184 (2005).
  8. Kim, J., et al. Establishment of a fabrication method for a long-term actuated hybrid cell robot. Lab Chip. 7, 1504-1508 (2007).
  9. Tanaka, Y., Sato, K., Shimizu, T., Yamato, M., Okano, T., Kitamori, T. A micro-spherical heart pump powered by cultured cardiomyocytes. Lab Chip. 7, 207-212 (2007).
  10. Park, J., et al. Micro pumping with cardiomyocyte-polymer hybrid. Lab Chip. 7, 1367-1370 (2007).
  11. Akiyama, Y. Atmospheric-operable bioactuator powered by insect muscle packaged with medium. Lab Chip. 13, 4870-4880 (2013).
  12. Kabumoto, K., Hoshino, T., Akiyama, Y., Morishima, K. Voluntary movement controlled by the surface EMG signal for tissue-engineered skeletal muscle on a gripping tool. Tissue Eng. Part A. 19, 1695-1703 (2013).
  13. Feinberg, A., Feigel, A., Shevkoplyas, S., Sheehy, S., Whitesides, G., Parker, K. Muscular thin films for building actuators and powering devices. Science. 317 (5843), 1366-1370 (2007).
  14. Vannozi, L., et al. Self-assembly of polydimethylsiloxane structures from 2D to 3D for bio-hybrid actuation. Bioinspiration Biomimetics. 10 (5), (2015).
  15. Holley, M. T., Nagarajan, N., Danielson, C., Zorlutuna, P., Park, K. Development and characterization of muscle-based actuators for self-stabilizing swimming biorobots. Lab Chip. 16, 3473-3484 (2016).
  16. Sfakiotakis, M., Lane, D., Davies, J. Review of fish swimming modes for aquatic locomotion. IEEE J. Oceanic Eng. 24, 237-252 (1999).
  17. McCain, M., Agarwal, A., Hesmith, H., Nesmith, A., Parker, K. Micromolded gelatin hydrogels for extended culture of engineered cardiac tissues. Biomaterials. 35 (21), 5462-5471 (2014).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Kardiomiocytybiologiczny aktuatorrusztowanie z PDMSlitografia mi kkagrawerowanie laserowesterowanie magnetycznefunkcjonalizacja fibronektynwytwarzanie wspornikakontrola wyporno ci

Powiązane artykuły