Robô macio bioinspirado com microeletrodos incorporados

Nosso novo método de fabricação de atuador bioinspirado eletricamente controlado pode não apenas superar a limitação do atuador biohíbrido existente, mas também melhorar fortemente o desempenho do atuador baseado em células. Usando essa técnica de baixo custo e fácil de manusear, o comportamento de atuação do robô macio bioinspirado pode ser controlado e sintonizado levando à estimulação em tempo real. Nosso novo método pode potencialmente ser estendido para a aplicação de dispositivo eletrônico flexível implantável com energia sem fio para regeneração cardíaca.

Este método também pode servir como uma nova plataforma para o estudo da estimulação elétrica local de construções latentes celulares. Comece dissolvendo 80 miligramas de GelMA em quatro mililitros da PBS de Dulbecco. Em seguida, adicione 20 miligramas de ácido carboxílico funcionalizado nanotubos de carbono multiparecidos e sonicar a solução por uma hora a 660 milhertz e 100 watts.

Para criar pegda micropattered, coloque uma camada de fita transparente comercial de 50 micrômetros de espessura em um slide de vidro revestido TMSPMA, despeje 15 microlitros de solução prepolímero PEGDA de 20% em cima do slide de vidro revestido e cubra-o com microeletros dourados. Coloque a primeira fotomamak em cima do slide e exponha toda a construção a 200 watts de luz ultravioleta a 800 miliwatts de intensidade e uma distância de oito centímetros por 110 segundos. No final da exposição uv, coloque o deslizamento de vidro no PBS de Dulbecco.

Adicione uma gota de 20 microliteres da solução de pré-imermer gelma de nanotubo de carbono entre os espaçadores. Após cinco a 10 minutos, desprende cuidadosamente o hidrogel PEGDA micropatterado e os microeletrodos de ouro do substrato de vidro não revestido e coloque o slide de cabeça para baixo sobre os espaçadores. Fixar o slide no prato com fita adesiva e virar todo o conjunto de cabeça para baixo.

Coloque a segunda máscara no slide de vidro e exponha o conjunto à luz UV, como demonstrado por 200 segundos. No final da exposição, lave o andaime uma vez com PBS fresco de Dulbecco e uma vez com meio de cultura celular suplementado com soro bovino 10%. Em seguida, coloque o andaime em meio fresco em uma nova placa de Petri em uma incubadora Celsius de 37 graus durante a noite.

Após o isolamento cardiomiócito de corações de ratos neonatais de dois dias de idade de acordo com os protocolos padrão, resuspensar as células em um 1,95 vezes 10 para as seis células por mililitro de concentração cardíaca média e sementes as células no robô macio fabricado em gotículas. Quando toda a superfície do dispositivo estiver coberta, incubar as amostras a 37 graus Celsius por cinco dias, substituindo a cultura supernascida por cinco mililitros de cultura celular fresca complementada com soro bovino 2% fetal e 1%L-glutamina no primeiro e segundo dias após a semeadura. Para avaliar a batida espontânea dos cardiomiócitos no robô macio, começando no terceiro dia de cultura, coloque o robô em um estágio de microscópio óptico invertido e use um software de captura objetiva e de vídeo 5X ou 10X para imaginar a atividade do cardiomiócito por 30 segundos a 20 quadros por segundo.

No quinto dia, use um slide de cobertura para levantar suavemente as membranas na borda. Usando um PDMS espaçado de três centímetros como suporte, afixe dois eletrodos de haste de carbono com fio de platina a uma placa de Petri de seis centímetros cheia de meio cardíaco e transfira cuidadosamente o robô macio para a placa. Em seguida, aplique uma forma de onda quadrada com uma largura de pulso de 50 milissegundos, valor de deslocamento de corrente direta de zero volts e amplitude de tensão de pico entre 0,5 e seis volts.

Para estimulação elétrica com os microeletrodos de ouro, após a fabricação de construtos multicamadas, use pasta de prata para fixar dois fios de cobre aos eletrodos de ouro através de uma porta quadrada externa e cobrir a pasta com uma fina camada de PDMS pré-curada a 80 graus Celsius por cinco minutos. Em seguida, coloque a amostra em uma placa quente a 45 graus Celsius durante cinco horas para cruzar totalmente o PDMS. Após semear cardiomiócito nos fios conectados robô macio, aplique um estímulo elétrico de onda quadrada nos fios de cobre com o valor de deslocamento de corrente direta de um volt, uma amplitude de tensão de pico entre 1,5 e cinco volts, e frequências de 0,5, um e dois hertz, respectivamente.

Estes robôs macios foram projetados biomimicando os padrões de dois animais aquáticos diferentes, a estrela-do-mar e o raio de manta. As camadas de nanotubo de carbono semeadas de cardiomiocócico apresentaram diferentes comportamentos de batida de acordo com as distâncias padrão. Para evitar o rolamento completo irreversível do robô macio durante a batida dinâmica dos cardiomiócitos, o espaçamento padrão da camada de suporte ao hidrogel PEGDA foi otimizado para 300 micrômetros.

Nestes quadros adquiridos a partir de gravações de contração, um atuador em forma de raio de manta pode ser claramente observado dobrando as asas como esperado com a cauda equilibrando a estrutura, endireitando quando as asas estavam se fechando robustamente no meio. Algumas das membranas demonstram um movimento rotativo ao contrair devido aos hidrogéis de nanotubos de carbono micropagados desalinhados GelMA e PEGDA. O tecido cardíaco nos padrões pegda e nanotubo de carbono gelma também pode ser visualizado por imagens confocal F-actin DAPI.

O alinhamento parcial uniaxial sarcomere e estruturas de sarcomere interconectadas também podem ser observados nas áreas padronizadas por microscopia confocal, bem como estruturas de sarcomere bem interconectadas de tecidos cardíacos localizados diretamente acima das microeletrodos. A tensão do limiar de excitação é diferente em diferentes frequências de estímulo elétrico através do eletrodo de carbono externo ou fio de cobre conectado ao eletrodo de ouro. O processo de crosslinking UV do PEGDA e do micropatterning GelMA usando fotomasks é importante para obter microeletrodos de ouro de alta qualidade incorporando multicamadas cobertas.

A bioimpressão pode ser usada para a fabricação de hidrogel micropatterned e eletrodo flexível. Usamos bioimpressão para obter um robô macio geométrico bem definido de forma rápida, barata e de alto rendimento. Nosso método pode potencialmente contribuir para o desenvolvimento da estimulação elétrica sem fio do robô macio através da integração de dispositivos eletrônicos flexíveis diretamente em andaime à base de hidrogel.

Nanotubos de carbono e solventes orgânicos devem ser sempre manuseados dentro de um capô, pois as fibras de nanotubo de carbono podem entrar nos pulmões representando um risco para o desenvolvimento do câncer.