Методическая статья

Прибор на основе карциномы на мышечной клетке и самостабилизационный биоробот - ЧАСТЬ 1

7.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55642

⸱

11 июля 2017 г.

 ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

В этом двухчастном исследовании биологический исполнительный механизм был разработан с использованием гибких полидиметилсилоксановых (PDMS) кантилеверов и живых мышечных клеток (кардиомиоцитов) и охарактеризован. Биологический привод был включен с основанием из модифицированных материалов PDMS для создания самостабилизирующегося, плавающего биоробота.

Аннотация

Биологические машины, часто называемые биороботами, представляют собой живые устройства на основе клеток или тканей, которые питаются исключительно сократительной активностью живых компонентов. Из-за присущих им преимуществ биороботы приобретают интерес как альтернативы традиционным искусственным роботам. В различных исследованиях основное внимание уделялось использованию энергии биологических приводов, но только недавно исследования количественно характеризовали характеристики биороботов и изучали их геометрию для повышения функциональности и эффективности. Здесь мы демонстрируем развитие самостабилизирующегося плавательного биоробота, который может поддерживать свой шаг, глубину и рулон без внешнего вмешательства. В этой первой части описана конструкция и изготовление каркасов PDMS для биологического привода и биоробота с последующей функционализацией с фибронектином. Во второй части этой статьи из двух частей мы подробно описываем включение кардиомиоцитов и характеризуем биологический активАтор и биоробот. Оба включают основание и хвост (кантилевер), которые производят плавучее движение. Хвост построен с использованием методов мягкой литографии с использованием PDMS и лазерной гравировки. После включения хвоста с основанием устройства он функционализован клеточным клеящим белком и засевается слиянием с кардиомиоцитами. Основание биологического привода состоит из твердого блока PDMS с центральным стеклянным шариком (действует как вес). Основание биоробота состоит из двух составных материалов PDMS, Ni-PDMS и microballoon-PDMS (MB-PDMS). Порошок никеля (в Ni-PDMS) позволяет осуществлять магнитный контроль биоробота при посеве клеток и стабильности во время локомоции. Микрошарики (в MB-PDMS) уменьшают плотность MB-PDMS и позволяют биороботу плавать и плавать постоянно. Использование этих двух материалов с разной плотностью массы позволило точно контролировать распределение веса, чтобы обеспечить положительную реставрационную силу под любым углом биоробота. Этот методПроизводит магниторегулируемый самостабилизационный плавающий биоробот.

Введение

Биологические приводы и биороботы активно изучаются, чтобы обеспечить альтернативу обычной робототехнике для многочисленных применений. Биороботы, которые ходят 5 , 6 , 7 , 8 , плавают 1 , 2 , 3 , 4 , насос 9 , 10 или захват 11 , 12 , 13 Уже разработаны. Аналогично, мышечные клетки могут быть включены в трехслойную структуру 14 PDMS. Часто биооблоточные основы изготавливаются с использованием методов мягкой литографии с такими материалами, как гидрогели и PDMS (полидиметилсилоксаны). Это привлекательный выбор из-за их гибкости, биосовместимостиГибкость и легко настраиваемая жесткость. Живые мышечные клетки обычно включаются в эти материалы, чтобы обеспечить генерацию силы посредством сжатия. Клетки сердечной мышцы млекопитающих (кардиомиоциты) и клетки скелетных мышц преимущественно используются для приведения в действие. Помимо этих двух мышечных тканей насекомых использовались для работы биороботов при комнатной температуре 3 . В этом двухчастном исследовании кардиомиоциты были выбраны из-за их спонтанного сжатия 6 .

Большая часть ранних исследований биороботов была сфокусирована на разработке биологических приводов, в то время как оптимизация архитектуры биоробота и развитие важных функций для биороботов в основном игнорировались. Недавно в нескольких докладах было продемонстрировано внедрение различных режимов плавания, которые были вдохновлены режимами движения, найденными в природе. Эти методы включают ПДМС-пленки и мышечные клетки, имитирующие различные природные двигательные методы, Например, сообщалось о двигателе 1 на основе жгутов, биомаксимальном двигателе-медузе 2 , биогибридном луче 4 и устройствах 13 плавления с тонкой пленкой PDMS.

В этой статье мы представляем процесс изготовления самостабилизирующихся плавающих биороботов, которые могут поддерживать глубину погружения, а также шаг и рулон. Биоробот имеет твердую основу или тело, которое движется одним кантилевером с прикрепленными к его поверхности кардиомиоцитами. Кардиомиоциты заставляют кантилевер изгибаться в продольном направлении, когда они сжимаются. Эта форма плавания классифицируется как ostraciiform плавание. Возможность добавления дополнительных функциональных возможностей на базу является уникальным преимуществом острацифического плавания. Например, основание может быть использовано для обеспечения избыточной плавучести для переноса дополнительных грузов или схем управления для сокращения кардиомиоцитов.

стабильностьБиоробота часто упускали из виду в предыдущих исследованиях биороботов. В этом исследовании мы внедрили самостабилизацию путем проектирования основы с различными композитными материалами PDMS с различной плотностью масс. Таким образом, биоробот демонстрирует устойчивость к внешним возмущениям и поддерживает глубину погружения, шаг и рулон, без посторонней помощи. Первым слоем является PDMS микрошара (MB-PDMS), то есть PDMS, смешанный с микрошариками, что снижает плотность биоробота, позволяя ему плавать в средах. Второй слой представляет собой кантилевер PDMS, и его толщина адаптирована таким образом, что сила, создаваемая кардиомиоцитами, может резко согнуть кантилевер с 45 ° до 90 °. Нижний слой представляет собой никель-PDMS (Ni-PDMS), то есть PDMS, смешанный с порошком никеля. Этот слой выполняет несколько функций. Он магнитный и, следовательно, позволяет закрепить биоробот на дне среды во время клеточного посева магнитом. Смесь никеля имеет более высокую плотность, чем MB-PDMS, иСредний и обеспечить вертикальное положение биоробота во время плавания. Вес этого слоя создает восстанавливающий крутящий момент на биороботе при любом шаге и рулоне. Кроме того, объемное соотношение между Ni-PDMS и MB-PDMS поддерживает глубину погружения. Представленные протоколы были бы очень полезны для исследователей, заинтересованных в характеристике силы биения мышечных клеток и тканей, а также тех, кто хочет строить плавающие биороботы.

Посев функционализированного биологического привода и устройств биоробота, механическая и биохимическая характеристика клеток и количественный анализ функции устройства подробно описаны в части 2 этой статьи из двух частей, а также в недавней работе 15 .

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Рассчитать массу PDMS и добавок

  1. Используйте следующее уравнение, чтобы найти массу PDMS, необходимую для определенных высот, в следующих процедурах,
    M = ρ * V = ρ * Высота * Площадь (1),
    Где «Высота» - высота слоя, «Площадь» - это площадь контейнера, из которой будет вылечена PDMS, «ρ» - плотность смеси, а «V» - это объем.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Плотности для расчета высоты составляют PDMS = 0,965 г / мл, Ni-PDMS = 1,639 г / мл, MB-PDMS = 0,648 г / мл.
  2. Используйте уравнение (1) для оценки массы PDMS, необходимой для данного контейнера, для получения определенной высоты (5 мм) для основания биологического привода. Полученная плотность PDMS составляет 0,965 г / мл.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Отношение составляет от 10: 1 до отвердителя по весу.
    M base = ρ * V = ρ * V * ( figure-protocol-1 )(2)
    M отвердитель = ρ * V = ρ * V * ( figure-protocol-2 )
  3. Используйте уравнение (1), чтобы найти массу Ni-PDMS, необходимую для данного контейнера, чтобы получить определенную высоту (1,5 мм) нижней основы биоробота.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Соотношения составляют 1: 1,88 (порошок никеля до PDMS по весу) и 1: 1,71: 0,171 (порошок никеля до основания PDMS для отвердителя PDMS по весу). Результирующая плотность Ni-PDMS составит 1,639 г / мл.
    M Никель = ρ * V = ρ * V * ( figure-protocol-3 ) (3)
    M base = ρ * V = ρ * V * ( figure-protocol-4 )
    M отвердитель = ρ * V = ρ * V * ( figure-protocol-5 )
  4. Аналогично, используя уравнение (1) - f Чтобы масса MB-PDMS была необходима для данного контейнера для получения определенной высоты (3,5 мм) верхнего основания биоробота.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Соотношения равны 1: 5 (микрошарики до PDMS по весу) и 1: 4,54: 0,454 (микрошарики до основания PDMS к отверждающему средству PDMS). Полученная плотность MB-PDMS будет равна 0,648 г / мл.
    M Microballoon = ρ * V = ρ * V * ( figure-protocol-6 ) (4)
    M base = ρ * V = ρ * V * ( figure-protocol-7 )
    M отвердитель = ρ * V = ρ * V * ( figure-protocol-8 )
  5. Проверить динамическую стабильность биоробота с требуемым размером и геометрией с помощью сценариев анализа; См. Дополнительную информацию: «Biorobot_dynamic_stability.m» и «CG_CB_calculation.m».
_title "> 2. Изготовление биологических приводов на стационарной основе

ПРИМЕЧАНИЕ. См. Рис. 1a.

  1. Спиновое покрытие тонкой пленки PDMS (см. Рис. 1a-1 и a2). Толщина получаемой пленки ПДМС составит 25 мкм.
    1. Поместите кремниевую пластину на счетчик фоторезиста и переверните переключатель насоса, чтобы произвести всасывание.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Кремниевая пластина имеет толщину 4 дюйма и толщину 500 мкм.
    2. Налейте положительный фоторезист ( например, S1808) на кремниевую пластину, пока пластина полностью не будет закрыта. Запрограммируйте прядильщик для вращения со скоростью 2000 об / мин в течение 20 с. Затем включите счетчик, нажав на педаль. Открутите всасывание после вращения.
    3. Нагрейте горячую плиту до 120 ° C. Используйте пластинчатые пинцеты, чтобы забрать кремниевую пластину из прядильщика и поместить кремниевую пластину непосредственно на конфорку. Накройте пластину мелкой чашкой Петри и запекайте в течение 10 минут.
      ПРИМЕЧАНИЕ . Печь можно использовать для baKe вафли с использованием той же температуры и продолжительности. На рисунке 1a-1 показан этот процесс.
    4. Поместите пластиковый контейнер на весы и обнулите его. Налейте 6 г основания PDMS в контейнер и добавьте 0,6 г отвердителя PDMS. Тщательно перемешайте PDMS в течение 5 минут.
      ПРИМЕЧАНИЕ. После смешивания смесь должна быть слита с пузырьками.
    5. Поместите контейнер смешанных PDMS в вакуумную камеру. Уменьшите давление вакуумной камеры до 100 мбар и оставьте контейнер в камере в течение 30 мин. Разбейте вакуум и удалите контейнер. Держите контейнер закрытым до использования.
    6. Поместите кремниевую пластину с испеченным слоем фоторезиста на прядильщик. Медленно вылейте всю дегазированную смесь PDMS на пластину.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Медленно налейте таким образом, чтобы в смесь не вводили новые пузырьки.
    7. Установите счетчик до 1200 об / мин в течение 5 мин. Включите всасывание прядильщика и включите прядильщик. Открутите всасывание после вращения.
      ПРИМЕЧАНИЕ. TПараметры hese приводят к слою PDMS толщиной 25 мкм.
    8. Нагрейте духовку до 40 ° C. Используйте пластинчатые пинцеты, чтобы забрать кремниевую пластину со спиннера, затем поместите ее в духовку. Выпекайте пластину в течение ночи, а затем охладите пластину при комнатной температуре.
      ПРИМЕЧАНИЕ. На рисунке 1a-2 показан этот процесс.
  2. Лазерная гравировка тонкопленочного слоя PDMS.
    1. Включите выключатель питания лазерного гравера и выхлопных газов. Включите компьютер, подключенный к лазерному граверу. Откройте программное обеспечение лазерного гравера.
    2. В разделе «Файл» откройте файл проектирования биологического привода, показанный на рисунке 2е.
      1. Нажмите кнопку «Настройки». Нажмите «Синий» и измените настройку мощности на 3% и скорость до 4%. Нажмите «Установить». Нажмите «Черный» и измените «Режим», чтобы пропустить. Затем нажмите «Установить». Сделайте то же самое для «Красный». Нажмите кнопку «Применить», чтобы закончитьнастройки."
      2. Нажмите кнопку «Активировать гравер» в правом верхнем углу.
    3. Нажмите кнопку «Переместить», чтобы переместить дизайн в центр экрана программного обеспечения.
    4. Нажмите кнопку «Фокусное изображение» в программе и щелкните по краю биоробота на экране. Это приведет к перемещению направляющей лазерной точки лазерного гравера в соответствующую точку.
    5. Переместите пластину вручную с помощью пинцета, так что точка на пластине, соответствующая точке, нажатой в пункте 2.2.4, находится непосредственно под направляющей лазерной точкой.
    6. Нажмите кнопку «Начать гравирование предыдущей работы», чтобы начать процесс гравировки. Удалите пластину после завершения гравировки. Выключите все оборудование.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Кнопка «Начать гравирование предыдущей работы» представляет собой большой зеленый треугольник. Не смотрите прямо на процесс гравировки, так как лазер может повредить глаза. На рисунке 1а-3 показан этот процесс.
  3. Подготовка и изготовление основания биологического привода.
    1. Налейте стеклянные бусины (диаметр 3 мм) в пробирку объемом 15 мл. Погрузите шарики 70% -ным этанолом в воду DI в течение 24 часов. Удалите этанол и залейте трубку водой DI в течение 24 часов. Вылейте воду DI и поместите трубку на конфорку при 50 ° C, чтобы облегчить сушку стеклянных шариков.
    2. Добавьте 3 g к количеству PDMS, найденному в уравнении (1), для учета PDMS, который будет прилипать к сторонам контейнера во время заливки. Используйте уравнение (2) для нахождения базы PDMS и количества отвердителя.
    3. Поместите пластиковый контейнер на весы и обнулите его. Вылейте количество базы PDMS, найденное на шаге 2.3.2, в контейнер и обнулите ее. Затем вылейте в контейнер количество отвердителя PDMS, обнаруженного на этапе 2.3.2.
    4. Тщательно перемешайте PDMS в течение 5 минут.
      ПРИМЕЧАНИЕ. PDMS используется в соотношении 10: 1 к отвердителю. Смесь должна иметь много пузырьков.
    5. МестоКонтейнер, предназначенный для выпечки по шкале и нулевой. Осторожно вылейте правильное количество PDMS, обнаруженное на этапе 2.3.2 (и смешайте на шаге 2.3.4) в контейнер. Постепенно очищайте стеклянные шарики по всей смеси PDMS. Оставьте минимум 5 мм пространства вокруг каждого шарика для основания биологического привода.
    6. Поместите контейнер в вакуумную камеру. Уменьшите давление вакуума до 100 мбар и выключите вакуумный насос. Через 30 минут разбейте вакуум и выньте контейнер. Держите крышку до упора.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Давление в камере может медленно возрастать со временем, когда смесь дегазируется, а вакуумная камера течет. Если давление существенно превышает 100 мбар, включите вакуумный насос, чтобы восстановить давление до 100 мбар.
    7. Нагрейте конфорку до 40 ° C. Осторожно поместите контейнер из PDMS и стеклянных шариков на плиту. Накройте контейнер и запекайте в течение ночи.
  4. Биологический привод.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Следующая процедура может быть выполнена невооруженным глазом.
    1. Вырезать кубики (5 мм x 5 мм x 5 мм) из объемного PDMS, сделанного в части 2.3, с помощью бритвенного лезвия.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Один шарик должен находиться в центре каждого куба.
    2. Очистите все стороны каждого основания биологического привода, чтобы удалить загрязнения на поверхности основания, нажав основание в ленту и выньте. Повторите для каждой стороны.
    3. Повторите шаги с 2.3.2 по 2.3.6, чтобы сделать небольшое количество жидкого PDMS. Опустите наконечник иглы в жидкий PDMS. Поместите каплю жидкого PDMS на выгравированную базовую область пластины, сформированную на этапе 2.2. Намажьте капельку PDMS так, чтобы она полностью покрывала площадь основания 5 мм x 5 мм.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Базовая область представляет собой средний квадрат на рисунке 2a .
    4. Используйте пинцет, чтобы поместить очищенный куб с шага 2.4.2 на базовую область, покрытую жидкой ПДМС.
    5. Повторите шаг 2.4.3 с «Поместите каплю жидкого PDMS» на eNd и шаг 2.4.4 для каждого устройства, которое будет создано.
    6. Нагрейте конфорку до 40 ° C. Осторожно поместите кремниевую пластину с помощью сборок на плиту. Накройте пластину и выпекайте в течение ночи.
      ПРИМЕЧАНИЕ . Храните сборки в сборе до использования. На рисунке 1а-4 изображено окончательное устройство.

3. Изготовление биороботов (рисунок 1b)

  1. Спин-покрытие и лазерная гравировка тонкой пленки PDMS
    1. Повторите все шаги в 2.1 и 2.2 с использованием новой кремниевой пластины. Это приведет к созданию кремниевой пластины с тонкой пленкой PDMS и тонкой пленкой фоторезиста, которая выгравирована с помощью конструкции биоробота.
      ПРИМЕЧАНИЕ . Повторяя шаг 2.2, используйте дизайн биоробота для лазерной гравировки вместо ранее использованной конструкции биологического привода. На рисунках 1b-1 и b-3 показаны эти процессы.
  2. Подготовка и изготовление PDMS compoместа.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Следующая процедура может быть выполнена невооруженным глазом.
    1. Налейте фенольные микрошарики в трубку объемом 50 мл до полного заполнения. Заполните трубку 70% этанолом в DI-воде и дайте ей посидеть в течение 24 часов. Вылейте этанол, добавьте воду DI и дайте ему посидеть в течение 24 часов. Вылейте воду DI, а затем поместите трубку на конфорку при температуре 50 ° C, чтобы облегчить сушку микрошариков перед использованием.
    2. Используйте уравнение (1) с плотностью MB-PDMS и высотой 3,5 мм, чтобы найти необходимый объем PDMS. Добавьте 3 г в общую сумму, чтобы учесть материал, который останется в контейнере после заливки. Используйте уравнение (3), чтобы найти базу PDMS и количество отвердителя. Измерить соответствующее количество базы PDMS, отвердителя и микрошариков с использованием шкалы.
    3. Используйте уравнение (1) с плотностью Ni-PDMS и высотой 1,5 мм, чтобы найти необходимый объем PDMS. Добавьте 3 г к общей сумме, как на этапе 3.2.2. Используйте уравнение (2), чтобы найти базу PDMS и вылечитьСуммы. Измерить подходящее количество основания PDMS, отвердителя и порошка никеля с использованием шкалы.
    4. Смешайте каждую смесь MB-PDMS и Ni-PDMS в течение 5 мин. Осторожно вылейте необходимое количество MB-PDMS и Ni-PDMS, рассчитанных в 3.2.2 и 3.2.3, в отдельные контейнеры с использованием шкалы.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Смеси следует тщательно перемешать металлическим или стеклянным стержнем, не царапая нижнюю поверхность контейнера для смешивания. Смесь будет сливаться с пузырьками.
    5. Поместите оба контейнера в вакуумную камеру. Уменьшите давление до 100 мбар в течение 30 мин. Разбейте вакуум и удалите контейнеры. Держите крышку до упора.
    6. Нагрейте конфорку до 40 ° C. Поместите контейнеры с MB-PDMS и Ni-PDMS на плиту. Накройте каждый контейнер и запекайте в течение ночи.
      ПРИМЕЧАНИЕ . Храните крышку до упора.
  3. Сборка Biorobot.
    1. Обрезать основы биоробота размеров, соответствующих каждому размеру биоробота от Ni-PDMS и MB-PDMS с использованием лезвия бритвы. См. Рисунок 2b-2d для базовых конструкций.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Толщина Ni-PDMS составляет 1,5 мм, а для MB-PDMS - 3,5 мм.
    2. Очистите все стороны оснований биоробота, чтобы удалить загрязняющие вещества на поверхности, нажав основание на ленту и извлеките. Повторите для каждой стороны.
    3. Включите коронный разрядник. Принесите кончик разрядника короны на 1 см выше основания Ni-PDMS, который помещается на металлическую пластину с промежуточной тканью. Переместите наконечник вокруг основания и продолжайте в течение 15 с для обработки поверхности.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Разряд должен происходить между коронарным разрядником и пластиной. Если это не так, доведите наконечник ближе до разряда.
    4. Повторите шаг 3.3.3 для обработки поверхности основания биоробота, выгравированного на этапе 3.1, на ту же самую длительность. Используйте пинцет, чтобы поместить обработанную Ni-PDMS сторону на обработанную сторону пленки. Дайте устройству сидеть в течение 5 минут.
      ПРИМЕЧАНИЕ . Это будетGly связывают две части. См. Рис. 1b4 .
    5. Используйте острые пинцеты, чтобы очистить кантилевер из биоробота от пластины и поместить его на дно основания Ni-PDMS. Используйте пинцет, чтобы удалить всю сборку с пластины.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Кантилевер будет прикреплен к базе Ni-PDMS. На рисунке 1b-5 и b-6 изображено это.
    6. Поместите небольшую каплю неотвержденной PDMS (основание 10: 1 на отвердитель) в верхней части базы MB-PDMS. Используйте пинцет для размещения стороны Ni-PDMS с тонкопленочной PDMS на MB-PDMS с неотвержденным PDMS. Поместите сборку в пластиковую чашку Петри, а затем поместите ее на плиту при температуре 40 ° C, чтобы вылечить всю ночь.
      ПРИМЕЧАНИЕ. На рисунке 1b-7 изображено окончательное устройство.

4. Функционализация устройств

ПРИМЕЧАНИЕ . Ниже мы описываем процесс подготовки устройств для посева клеток.

  1. приготовительныйЯвляются искомые материалы: раствор фибронектина (50 мкг / мл), раствор солевого раствора фосфатного буфера (PBS), модифицированная Дульбекко среда Игла (DMEM), дополненная 10% фетальной бычьей сывороткой (FBS) и 1% антибиотиком пенициллина (DMEM complete).
  2. Поместите 100 мкл раствора фибронектина в центр культуральной колбы T-25 (нижняя поверхность, когда колба находится в вертикальном положении). Поддерживайте отдельные колбы для каждого устройства.
  3. Поместите биоробот или биологический привод вниз по капле раствора фибронектина. Убедитесь, что консоль развернута и погружена в капельку. Инкубируйте при 37 ℃ в течение 30 мин.
  4. После инкубации удалите раствор фибронектина и дважды промыйте PBS.
  5. Удалите PBS и заполните колбу 10 мл DMEM. Инкубируйте при 37 ℃ в течение 1 часа для облегчения дегазации PDMS. Чтобы погрузить биороботы в 10 мл среды, используйте магнит, чтобы удерживать устройство на дне колбы. Поместите колбу с помощью samПробирки в ультразвуковой ванне в течение 5 мин для удаления пузырьков.
    ПРИМЕЧАНИЕ . Во время инкубационного периода на поверхности PDMS образуются пузырьки воздуха, которые здесь называются дегазацией. Ni-PDMS, используемый в сборке биороботов, является магнитным. Биологический привод не нуждается в магните, потому что он останется на дне колбы из-за веса стеклянного шарика. Теперь блок биоробота или биологического привода готов для посева, что подробно объясняется в части 2.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Биологический привод и биоробот имеют очень похожие процессы изготовления, так как биоробот является естественным продолжением биологического привода ( рис. 1 ). Сначала был разработан биологический исполнительный механизм, чтобы установить методы, необходимые для биоробота, проанализировать силу, создаваемую клетками, и охарактеризовать созревание клеток механически и биохимически, оба из которых подробно описаны в части 2 этой статьи из двух частей, как Как и в нашей н...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Среди водных пловцов можно найти различные механизмы передвижения. Механизм локомоции биоробота в этом исследовании использует локомоцию на основе ребер, в частности остраковидную локомоцию. Остракообразные пловцы продвигаются по вилянию хвоста (кантилевера) и имеют жесткое тело (слоистое основание) 16 . Рыба, такая как бокс и рыба, использует этот тип локомоции. Остракообразные пловцы обычно медленны и имеют неэффективные размеры тела. Хотя ostraciiform плавание не имеет скорости, эта форма плав...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать

Благодарности

MT Holley поддерживается Программой выпускников стипендий Совета регентов штата Луизиана, а С. Даниэльсон поддерживается Программой профессоров Медицинского института Говарда Хьюза. Это исследование поддерживается NSF Grant No: 1530884. Авторы хотели бы поблагодарить поддержку чистой комнаты в Центре усовершенствованных микроструктур и устройств (CAMD).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Полидиметилсилоксан (PDMS)Dow Corning184 sil elast kit  0,5 кгSylgard 184
Порошок никеляSigma-Aldrich266981-100G
Фенольные микрошарикиUS CompositesBJO-0930
Силиконовые пластины диаметром4 дюйма
PWM101 легкая спиннерSpin-coater
Позитивный фоторезист (S1808)Dow CorningDEM-10018197
Нагревательная пластина
Вакуумная камера
M206 механическая конвекционная печьКонвекционная печь
Лазерный граверУниверсальная лазерная системаVLS2.30Использует 10 Вт, 10,6 и микро; m длина волны, CO2 Лазер
Универсальные лазерные системы ПрименениеУниверсальная лазерная системаПрименение для запуска программы численного анализа VLS 2.30
MatlabMathWorks
ScotchScotch Brand
Цельностеклянные шарикиSigma-AldrichZ265926-1EAНатриево-известковое стекло, диаметр 3 мм
ВесыMettler ToledoEL303
BD-20AC Лабораторный протравитель короныЭлектротехнические изделия12051AРазрядник короны
Ультразвуковая ванна 1,9 лFisher Scientific15-337-40240 кГц промышленный преобразователь
Фибронектин из плазмы крупного рогатого скотаSigma-AldrichF1141
Dulbecco' s Фосфатный буфер (PBS)Sigma-AldrichD1408-100ML
Dulbecco' s Модифицированная среда Eagle Medium (DMEM)Hyclone Laboratories16750-074с 4500 мг/л глюкозы, 4,0 мМ L-глутамина и 110 мг/л пирувата натрия.
Феталклон III сывороткаHyclone Industries, GE16777-240Фетальная бычья сыворотка
Пенициллин-G натриевая сольSigma-AldrichP3032

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи