Miękki robot inspirowany biologicznie z wbudowanymi mikroelektrodami

Nasza nowa metoda wytwarzania elektrycznie sterowanego siłownika inspirowanego biologicznie może nie tylko przezwyciężyć ograniczenia istniejącego siłownika biohybrydowego, ale także znacznie zwiększyć wydajność siłownika opartego na komórkach. Korzystając z tej taniej i łatwej w obsłudze techniki, zachowanie aktywacji inspirowanego biologicznie miękkiego robota może być kontrolowane i dostrajane, co prowadzi do stymulacji w czasie rzeczywistym. Nasza nowa metoda może zostać potencjalnie rozszerzona o zastosowanie bezprzewodowego, wszczepialnego, elastycznego urządzenia elektronicznego do regeneracji serca.

Metoda ta może również służyć jako nowa platforma do badania lokalnej stymulacji elektrycznej utajonych konstruktów komórkowych. Zacznij od rozpuszczenia 80 miligramów GelMA w czterech mililitrach PBS firmy Dulbecco. Następnie dodaj 20 miligramów wielościennych nanorurek węglowych funkcjonalizowanych kwasem karboksylowym i sonikuj roztwór przez godzinę przy 660 milihercach i 100 watach.

Aby stworzyć mikrowzorzysty PEGDA, umieść jedną warstwę komercyjnej przezroczystej taśmy o grubości 50 mikrometrów na jednym szkiełku powlekanym TMSPMA, wlej 15 mikrolitrów 20% roztworu prepolimeru PEGDA na wierzch powlekanego szkiełka podstawowego, a następnie przykryj go złotymi mikroelektrodami. Umieść pierwszą fotomaskę na szkiełku i wystaw całą konstrukcję na działanie 200 watów światła ultrafioletowego o natężeniu 800 miliwatów i odległości ośmiu centymetrów przez 110 sekund. Pod koniec ekspozycji na promieniowanie UV włóż szklane szkiełko do PBS Dulbecco.

Dodaj 20 mikrolitrów kropli roztworu prepolimeru GelMA z nanorurek węglowych między przekładkami. Po pięciu do 10 minutach ostrożnie oderwij hydrożel PEGDA z mikrowzorem i złote mikroelektrody od niepowlekanego podłoża szklanego i umieść szkiełko do góry nogami na przekładkach. Przymocuj szkiełko do naczynia za pomocą taśmy klejącej i odwróć cały zespół do góry nogami.

Umieść drugą fotomaskę na szkiełku podstawowym i wystaw zespół na działanie światła UV, jak pokazano, przez 200 sekund. Pod koniec ekspozycji przemyć rusztowanie raz świeżym PBS firmy Dulbecco, a drugi raz pożywką do hodowli komórkowych uzupełnioną 10% płodową surowicą bydlęcą. Następnie umieść rusztowanie na świeżym podłożu na nowej szalce Petriego w inkubatorze o temperaturze 37 stopni Celsjusza na noc.

Po wyizolowaniu kardiomiocytów z dwudniowych serc noworodków szczurów zgodnie ze standardowymi protokołami, ponownie zawieś komórki w stężeniu 1,95 razy 10 do 6 komórek na mililitr pożywki sercowej i umieść komórki na wyprodukowanym miękkim robocie w kropelkach. Gdy cała powierzchnia urządzenia zostanie pokryta, należy inkubować próbki w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez pięć dni, zastępując supernatant hodowli pięcioma mililitrami świeżej pożywki do hodowli komórkowych uzupełnionej 2% płodową surowicą bydlęcą i 1% L-glutaminą w pierwszym i drugim dniu po wysianiu. Aby ocenić spontaniczne bicie kardiomiocytów na miękkim robocie, począwszy od trzeciego dnia hodowli, umieść robota na stoliku odwróconego mikroskopu optycznego i użyj obiektywu 5X lub 10X i oprogramowania do przechwytywania wideo, aby zobrazować aktywność kardiomiocytów przez 30 sekund przy 20 klatkach na sekundę.

Piątego dnia użyj szkiełka zakrywającego, aby delikatnie podnieść membrany na krawędzi. Używając trzycentymetrowego PDMS jako uchwytu, przymocuj dwie elektrody prętowe z włókna węglowego z drutem platynowym do sześciocentymetrowej szalki Petriego wypełnionej pożywką sercową i ostrożnie przenieś miękkiego robota do naczynia. Następnie zastosuj przebieg prostokątny o szerokości impulsu 50 milisekund, wartości przesunięcia prądu stałego wynoszącej zero woltów i szczytowej amplitudzie napięcia od 0,5 do sześciu woltów.

Do stymulacji elektrycznej za pomocą złotych mikroelektrod, po wytworzeniu wielowarstwowej konstrukcji, użyj pasty srebrnej, aby przymocować dwa miedziane druty do złotych elektrod przez zewnętrzny kwadratowy port i przykryj pastę cienką warstwą PDMS wstępnie utwardzonego w temperaturze 80 stopni Celsjusza przez pięć minut. Następnie umieść próbkę na gorącej płycie w temperaturze 45 stopni Celsjusza na pięć godzin, aby w pełni usieciować PDMS. Po wysianiu kardiomiocytów na przewodach podłączonego miękkiego robota, zastosuj bodziec elektryczny fali prostokątnej na drutach miedzianych o wartości przesunięcia prądu stałego wynoszącej jeden wolt, szczytowej amplitudzie napięcia między 1,5 a pięciu woltów i częstotliwościach odpowiednio 0,5, jednego i dwóch herców.

Te miękkie roboty zostały zaprojektowane poprzez bionaśladowanie wzorów dwóch różnych zwierząt wodnych, rozgwiazdy i manty. Warstwy GelMA z nanorurkami węglowymi wysiewanymi przez kardiomiocyty wykazywały różne zachowania związane z biciem w zależności od odległości wzorca. Aby zapobiec nieodwracalnemu całkowitemu stoczeniu się miękkiego robota podczas dynamicznego bicia kardiomiocytów, odstępy między hydrożelowymi warstwami nośnymi PEGDA zostały zoptymalizowane do 300 mikrometrów.

W tych klatkach uzyskanych z nagrań skurczów można wyraźnie zaobserwować siłownik w kształcie manty, który wygina skrzydła zgodnie z oczekiwaniami, a ogon równoważy konstrukcję poprzez prostowanie, gdy skrzydła mocno zamykają się w środku. Niektóre z membran wykazują ruch obrotowy podczas kurczenia się z powodu niewspółosiowości mikrowzorów nanorurek węglowych GelMA i hydrożeli PEGDA. Tkanka serca na mikrowzorzystych wzorach PEGDA i nanorurek węglowych GelMA może być również wizualizowana za pomocą obrazowania konfokalnego F-aktyny DAPI.

Częściowe jednoosiowe wyrównanie sarkomeru i połączone ze sobą struktury sarkomerowe można również zaobserwować na wzorzystych obszarach za pomocą mikroskopii konfokalnej, a także dobrze połączone struktury sarkomerowe tkanek serca znajdujących się bezpośrednio nad mikroelektrodami. Napięcie progowe wzbudzenia jest różne przy różnych częstotliwościach bodźca elektrycznego przez zewnętrzną elektrodę węglową lub drut miedziany połączony ze złotą elektrodą. Proces sieciowania UV PEGDA i mikromodelowania GelMA przy użyciu fotomasek jest ważny dla uzyskania wysokiej jakości złotej mikroelektrody zawierającej wielowarstwowe pokrycie.

Bioprinting może być stosowany do wytwarzania hydrożelu z mikrowzorem i elastycznej elektrody. Wykorzystaliśmy biodruk, aby uzyskać geometrycznie dobrze zdefiniowanego miękkiego robota w szybki, niedrogi i wysokowydajny sposób. Nasza metoda może potencjalnie przyczynić się do rozwoju bezprzewodowej stymulacji elektrycznej miękkiego robota poprzez integrację elastycznego urządzenia elektronicznego bezpośrednio z rusztowaniem na bazie hydrożelu.

Z nanorurkami węglowymi i rozpuszczalnikami organicznymi należy zawsze obchodzić się wewnątrz okapu, ponieważ włókna nanorurek węglowych mogą przedostać się do płuc, stwarzając ryzyko rozwoju raka.