Биовдохновленный мягкий робот с инкорпорированными микроэлектродами

Наш новый метод изготовления электрически управляемого биовдохновленного привода может не только преодолеть ограничение существующего привода биогибрида, но и сильно повысить производительность клеточного привода. Используя эту низкую стоимость и простую в обращении технику, поведение привода биовдохновленного мягкого робота можно контролировать и настраивать, что приводит к стимуляции в режиме реального времени. Наш новый метод потенциально может быть распространен на применение беспроводного имплантируемого гибкого электронного устройства для регенерации сердца.

Этот метод также может служить новой платформой для изучения местной электрической стимуляции клеточных скрытых конструкций. Начните с растворения 80 миллиграммов GelMA в четырех миллилитров PBS Дульбекко. Затем добавьте 20 миллиграммов карбоксиновой кислоты, функционализированные многостенные углеродные нанотрубки и sonicate раствор в течение одного часа на 660 миллигерц и 100 Вт.

Чтобы создать микропаттернированную PEGDA, поместите один слой коммерческой прозрачной ленты толщиной 50 микрометров на одну стеклянную горку с покрытием TMSPMA, залейте 15 микролитров 20%-х преполимерным раствором PEGDA поверх стеклянной горки с покрытием, а затем накройте ее золотыми микроэлектродами. Поместите первую фотомаск поверх слайда и подвергайте всю конструкцию 200 ватт ультрафиолетового света на 800 милливатт интенсивности и восемь сантиметров расстояния в течение 110 секунд. В конце УФ-экспозиции положите стеклянную горку в PBS Дульбекко.

Добавьте 20 микролитровых капель углеродной нанотрубки Prepolymer раствора GelMA между космонавтами. Через 5-10 минут тщательно отсоедините микропаттернный гидрогель PEGDA и золотые микроэлектроды от неокрашенного стеклянного субстрата и поместите слайд вверх дном на проемы. Зафиксируете слайд к блюду клейкой лентой и переверните всю сборку вверх дном.

Поместите вторую фотомаску на стеклянную горку и подвергайте сборку ультрафиолетовому свету, как это было продемонстрировано в течение 200 секунд. В конце экспозиции, мыть эшафот один раз со свежим PBS Dulbecco и один раз с клеточной культуры среды дополняется 10% плода бычьей сыворотки. Затем поместите эшафот в свежей среде в новой чашке Петри в 37 градусов по Цельсию инкубатор на ночь.

После изоляции кардиомиоцитов от двухдневных неонатальных крысиных сердец в соответствии со стандартными протоколами, повторно поместить клетки в 1,95 раза от 10 до шести клеток на миллилитр сердечной средней концентрации и семян клеток на сфабрикованных мягких роботов в каплях. Когда вся поверхность устройства была покрыта, инкубировать образцы при 37 градусов по Цельсию в течение пяти дней, заменив культуру супернатант с пятью миллилитров свежей клеточной культуры среды дополняется 2%fetal бычьей сыворотки и 1%L-глутамин на первый и второй дни после посева. Чтобы оценить спонтанное избиение кардиомиоцитов на мягком роботе, начиная с третьего дня культуры, поместите робота на перевернутую стадию оптического микроскопа и используйте программное обеспечение для объективного и видео захвата 5X для изображения активности кардиомиоцитов в течение 30 секунд при 20 кадрах в секунду.

На пятый день используйте крышку слайда, чтобы аккуратно поднять мембраны на краю. Используя трехметровый PDMS в качестве держателя, прикрепите два электрода углеродного стержня с платиновой проволокой к шестиметровой чашке Петри, наполненной сердечной средой, и тщательно перенесите мягкого робота в тарелку. Затем нанесите квадратную волновую форму с шириной 50 миллисекундного импульса, значением смещения прямого тока в ноль вольт и пиковой амплитудой напряжения от 0,5 до шести вольт.

Для электрической стимуляции с золотыми микроэлектродами, после изготовления многослойной конструкции, используйте серебряную пасту, чтобы прикрепить два медных провода к золотым электродам через внешний квадратный порт и покрыть пасту тонким слоем PDMS предварительно вылечить при 80 градусах по Цельсию в течение пяти минут. Затем поместите образец на горячую тарелку при 45 градусах по Цельсию в течение пяти часов, чтобы полностью перейти PDMS. После посева кардиомиоцитов на проводах подключен мягкий робот, нанесите на медные провода квадратный волновой электрический стимул с прямым током смещения значения одного вольта, пиковой амплитуды напряжения между 1,5 и пятью вольтами и частотами 0,5, один и два герца соответственно.

Эти мягкие роботы были разработаны путем биомимикинга моделей двух различных водных животных, морских звезд и манта лучей. Кардиомиоциты, посеянные углеродной нанотрубкой GelMA слоев выставлены различные избиения поведения в соответствии с шаблоном расстояния. Для предотвращения необратимого полного прокатки мягкого робота во время динамического избиения кардиомиоцитов, расстояние между шаблонами слоя поддержки гидрогеля PEGDA было оптимизировано до 300 микрометров.

В этих кадрах, приобретенных из записей сокращения, актуатор в форме манта-лучей можно четко наблюдать изгиб крыльев, как и ожидалось, с хвостом балансировки структуры путем выпрямления, когда крылья были надежно закрытия в середине. Некоторые мембраны демонстрируют вращающееся движение при контракте из-за неправильного микропаттерна углеродных нанотрубок GelMA и гидрогелей PEGDA. Сердечная ткань на микропаттернированных моделях PEGDA и углеродных нанотрубок GelMA также может быть визуализирована конфокаленной визуализацией F-actin DAPI.

Частичное выравнивание одноосного саркомера и взаимосвязанных структур саркомера также можно наблюдать на узорчатых участках с помощью конфокальной микроскопии, а также хорошо взаимосвязанных саркомерных структур сердечных тканей, расположенных непосредственно над микроэлектрородами. Напряжение порога возбуждения отличается на разных частотах электрического стимула через внешний углеродный электрод или медный провод, подключенный к золотому электроду. УФ-перекрестный процесс PEGDA и gelMA микропаттернинга с использованием фотомасков имеет важное значение для получения высококачественного золота микроэлектроды включения многослойных покрыты.

Биопечать может быть использована для изготовления микропаттернового гидрогеля и гибкого электрода. Мы использовали биопечать для получения геометрически четко определенного мягкого робота быстрым, недорогим и высокой пропускной способностью. Наш метод потенциально может способствовать развитию беспроводной электрической стимуляции мягкого робота путем интеграции гибкого электронного устройства непосредственно в эшафот на основе гидрогеля.

Углеродные нанотрубки и органические растворители всегда должны обрабатываться внутри капота, так как углеродные нанотрубки могут попасть в легкие, что создает риск развития рака.