Bioengineering

Kardial muskelcellebasert aktuator og selvstabiliserende biorobot - DEL 1

Published: July 11, 2017 doi: 10.3791/55642

Merrel T. Holley*¹, Neerajha Nagarajan*², Christian Danielson¹, Pinar Zorlutuna*², Kidong Park*¹

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

Summary

I denne todelte studien ble en biologisk aktuator utviklet ved bruk av svært fleksible polydimetylsiloksan (PDMS) cantilevers og levende muskelceller (kardiomyocytter) og karakterisert. Den biologiske aktuatoren ble innlemmet med en base laget av modifiserte PDMS-materialer for å bygge en selvstabiliserende, svømmende biorobot.

Abstract

Biologiske maskiner som ofte refereres til som bioroboter, er levende celle- eller vevsbaserte enheter som drev utelukkende av kontraktile aktiviteten til levende komponenter. På grunn av deres iboende fordeler, blir biorobots interessert som alternativer til tradisjonelle helt kunstige roboter. Ulike studier har fokusert på å utnytte kraften til biologiske aktuatorer, men bare nylig har studier kvantitativt preget biorobots ytelse og studert geometrien for å forbedre funksjonaliteten og effektiviteten. Her demonstrerer vi utviklingen av en selvstabiliserende svømmebiorobot som kan opprettholde sin tonehøyde, dybde og rulle uten ekstern inngrep. Design og fabrikasjon av PDMS-stillaset for den biologiske aktuatoren og bioroboten etterfulgt av funksjonaliseringen med fibronektin er beskrevet i denne første del. I den andre delen av denne todelte artikkelen beskriver vi innlemmelsen av kardiomyocytter og karakteriserer den biologiske aktuatorenAtor og biorobot funksjon. Begge har en base og hale (cantilever) som produserer fin-basert fremdrift. Halen er konstruert med myke litografi teknikker ved hjelp av PDMS og lasergravering. Etter å ha inkorporert halen med enhetsbunnen, er den funksjonalisert med et celleklæbende protein og sådd sammen med kardiomyocytter. Basen av den biologiske aktuatoren består av en solid PDMS blokk med en sentral glassperle (fungerer som en vekt). Basen av bioroboten består av to kompositte PDMS-materialer, Ni-PDMS og mikroballong-PDMS (MB-PDMS). Nikkelpulveret (i Ni-PDMS) tillater magnetisk kontroll av bioroboten under cellene seeding og stabilitet under lokomotion. Mikroballonger (i MB-PDMS) reduserer tettheten av MB-PDMS, og gjør at bioroboten kan flyte og svømme jevnt. Bruken av disse to materialene med forskjellige massetettheter muliggjorde nøyaktig kontroll over vektfordelingen for å sikre en positiv gjenopprettingsstyrke i en hvilken som helst vinkel på bioroboten. Denne teknikkenProduserer en magnetisk kontrollert selvstabiliserende svømmebiorobot.

Introduction

Biologiske aktuatorer og bioroboter blir aktivt studert for å gi et alternativ til konvensjonell robotteknikk for mange applikasjoner. Bioroboter som går ⁵ ^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ , svømmer ¹ ^, ² ^, ³ ^, ⁴ , pumpe ⁹ ^, ¹⁰ eller grep ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ Har allerede blitt utviklet. På samme måte kan muskelceller innlemmes i en 3D-valset PDMS struktur ¹⁴ . Ofte blir biorobot-ryggbenet produsert ved hjelp av myke litografiteknikker med materialer som hydrogeler og PDMS (polydimetylsiloksan). Disse er attraktive valg på grunn av deres fleksibilitet, biokompatibeltIlity, og lett justerbar stivhet. Levende muskelceller er vanligvis innlemmet med disse materialene for å gi kraftgenerering gjennom sammentrekning. Mammalske hjerte muskelceller (kardiomyocytter) og skjelettmuskelceller har dominerende vært brukt til aktivering. Foruten disse to har insektmuskulaturvev vært brukt til å betjene bioroboter ved romtemperatur ³ . I denne todelte studien ble kardiomyocytter valgt på grunn av deres spontane sammentrekning ⁶ .

Mye av tidligere forskning på bioroboter var fokusert på å utvikle de biologiske aktuatorene, mens optimalisering av biorobotarkitekturen og utviklingen av essensielle funksjonaliteter for biorobotene i stor grad ble forsømt. Nylig viste noen rapporter implementeringen av forskjellige svømmemoduser som ble inspirert av fremdriftsmoduser som finnes i naturen. Disse metodene inneholder PDMS-filmer og muskelceller for å etterligne ulike naturlige fremdriftsmetoder. For eksempel er flagella-basert fremdrift ¹ , biomimetisk maneter fremdrift ² , bio-hybrid stråle ⁴ og tynnfilm PDMS svømming enheter ¹³ blitt rapportert.

I dette papiret presenterer vi produksjonsprosessen av selvstabiliserende svømmebioroboter som kan opprettholde nedsenkingens dybde samt pitch og roll. Den biorobot har en solid base eller kropp, som drives av en enkelt cantilever med kardiomyocytter festet til overflaten. Kardiomyocytter forårsaker at cantileveren bøyer i langsgående retning når de trekkes sammen. Denne form for svømming er klassifisert som ostraciiform svømming. Evnen til å legge til flere funksjoner på basen er en unik fordel ved ostraciiform svømming. For eksempel kan basen benyttes for å gi overflødig oppdrift for å bære ytterligere cargos eller styrekretser for kardiomyocyt-sammentrekning.

StabilitetAv bioroboten ble ofte oversett i tidligere studier av bioroboter. I denne studien implementerte vi selvstabilisering ved å designe basen med forskjellige sammensatte PDMS-materialer med varierende massetettheter. Bioroboten viser således motstand mot ytre forstyrrelser og opprettholder sin dybdedybde, tonehøyde og rulle, uten hjelp. Det første laget er microballoon PDMS (MB-PDMS), det vil si PDMS blandet med mikroballonger, noe som reduserer biorobotens tetthet, slik at det kan flyte i media. Det andre laget er PDMS cantilever, og dens tykkelse er skreddersydd slik at kraft generert av kardiomyocytter kan dramatisk bøye cantilever fra 45 ° til 90 °. Bunnlaget er nikkel PDMS (Ni-PDMS), dvs. PDMS blandet med nikkelpulver. Dette laget utfører flere funksjoner. Det er magnetisk, og tillater derfor at bioroboten blir forankret på bunnen av mediet, under cellesøing, med en magnet. Nikkelblandingen har høyere tetthet enn MB-PDMS ogMedium, og sørg for en oppreist posisjon av bioroboten mens du flyter. Vekten av dette laget genererer et gjenopprettingsmoment på bioroboten ved enhver tone og rulle. Også volumforholdet mellom Ni-PDMS og MB-PDMS opprettholder nedsenkningsdybden. De presenterte protokollene vil være svært nyttige for forskere som er interessert i å karakterisere slagkraften til muskelceller og vev, samt de som ønsker å bygge svømmende bioroboter.

Såningen av den funksjonaliserte biologiske aktuatoren og biorobot-enheter, den mekaniske og biokjemiske karakterisering av cellene og den kvantitative analysen av enhetsfunksjonen er beskrevet i detalj i del 2 i denne todelt artikkelen, så vel som i det nylig arbeid ¹⁵ .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Beregn masse av PDMS og tilsetningsstoffer

Bruk følgende ligning for å finne massen av PDMS som er nødvendig for bestemte høyder i følgende prosedyrer,
M = ρ * V = ρ * Høyde * Område (1),
Hvor 'Høyde' er lagets høyde, 'Areal' er området for en beholder som PDMS vil bli kurert i, 'ρ' er blandingens tetthet og 'V' er volumet.
MERK: Densiteter for høydeberegninger er PDMS = 0,965 g / ml, Ni-PDMS = 1,639 g / ml, MB-PDMS = 0,678 g / ml.
Bruk ligning (1) for å estimere massen av PDMS som trengs for en gitt beholder for å oppnå en bestemt høyde (5 mm) for bunnen av den biologiske aktuatoren. Den resulterende tetthet av PDMS er 0,965 g / ml.
MERK: Forholdet er 10: 1 base til herdemiddel på vekt.
M _base = ρ * V = ρ * V * ( )(2)
M _herdemiddel = p * V = p * V * ( )
Bruk ligning (1) for å finne massen av Ni-PDMS som trengs for en gitt beholder, for å oppnå en bestemt høyde (1,5 mm) av biorobotens bunnbunn.
MERK: Forholdene er 1: 1,88 (nikkelpulver til PDMS etter vekt) og 1: 1,71: 0,171 (nikkelpulver til PDMS-base til PDMS-herdemiddel på vekt). Den resulterende tettheten av Ni-PDMS vil være 1.639 g / ml.
M _Nikkel = ρ * V = ρ * V * ( ) (3)
M _base = ρ * V = ρ * V * ( )
M _herdemiddel = p * V = p * V * ( )
Tilsvarende bruk likning (1) til f Inn i massen av MB-PDMS som trengs for en gitt beholder for å oppnå en bestemt høyde (3,5 mm) av toppbunnen av bioroboten.
MERK: Forholdene er 1: 5 (mikroballonger til PDMS etter vekt) og 1: 4,54: 0,444 (mikroballonger til PDMS base til PDMS-herdemiddel på vekt). Den resulterende tetthet av MB-PDMS vil være 0,488 g / ml.
M _Microballoon = ρ * V = ρ * V * (M ) (4)
M _base = ρ * V = ρ * V * ( )
M _herdemiddel = p * V = p * V * ( )
Kontroller den dynamiske stabiliteten til bioroboten med ønsket dimensjon og geometri ved hjelp av analyseskriptene; Se tilleggsinformasjonen, 'Biorobot_dynamic_stability.m' og 'CG_CB_calculation.m'.

_title "> 2. Fremstilling av biologiske aktuatorer på en stasjonær base

MERK: Se figur 1a.

Spin-coat en tynn film av PDMS (se figur 1a-1 og a2). Tykkelsen av den resulterende PDMS-filmen vil være 25 um.
1. Plasser en silisiumskive på en fotoresistspinner og vri pumpebryteren for å produsere suge.
  MERK : Silikonplaten har en 4-tommers diameter og 500 μm tykkelse.
2. Hell positivt fotoresist ( f.eks. S1808) på silisiumskiven til waferen er helt dekket. Program spinneren til å spinne ved 2000 rpm i 20 s. Deretter kobler du spinneren ved å trykke på fotpedalen. Slå av suget etter å ha spilt.
3. Varm en kokeplate opp til 120 ° C. Bruk waferpincett til å plukke opp silisiumplaten fra spinneren og plasser silisiumplaten direkte på kokeplaten. Dekk waferen med en grunne petriskål og bake i 10 minutter.
  MERK : En ovn kan brukes til baTa på wafen med samme temperatur og varighet. Figur 1a-1 viser denne prosessen.
4. Plasser en plastbeholder på veiingskala og nuller den ut. Hell 6 g PDMS base i beholderen og tilsett 0,6 g PDMS herdemiddel. Bland PDMS grundig i 5 minutter.
  MERK: Etter blanding skal blandingen være sammen med bobler.
5. Plasser beholderen med blandet PDMS i et vakuumkammer. Reduser trykket fra vakuumkammeret til 100 mbar og la beholderen stå i kammeret i 30 minutter. Bryt vakuumet og fjern beholderen. Hold beholderen dekket til bruk.
6. Legg silisiumplaten med det bakte fotoresistlaget på spinneren. Hell langsomt hele avgasset PDMS-blandingen på waferen.
  MERK: Hell sakte slik at ingen nye bobler blir introdusert i blandingen.
7. Sett spinneren til 1200 rpm i 5 min. Slå på spinnerens sug og ta i spinneren. Slå av suget etter å ha spilt.
  MERK: TDisse innstillingene resulterer i et 25 μm tykt lag av PDMS.
8. Varm opp ovnen til 40 ° C. Bruk waferpincett til å plukke opp silisiumplaten fra spinneren, og legg den i ovnen. Bake wafen natten over og avkjøl waferen ved romtemperatur.
  MERK: Figur 1a-2 viser denne prosessen.
Lasergravering av tynnfilm PDMS-laget.
1. Slå på bryteren til lasergraveren og dens eksos. Slå på datamaskinen som er koblet til lasergraveringen. Åpne lasergraverprogramvaren.
2. Under "File" -alternativet, åpne den biologiske aktuator designfilen vist i Figur 2e.
  1. Trykk på "Innstillinger" -knappen. Klikk på "Blå" og endre strøminnstillingen til 3% og hastighet til 4%. Klikk på "Set". Klikk på "Svart" og endre "Mode" for å hoppe over. Deretter klikker du på "Set". Gjør det samme for "Rød". Trykk på "Apply" knappen for å fullføreInnstillingene. "
  2. Trykk på "Aktiver graver" -knappen øverst til høyre.
3. Trykk på "Flytt" -knappen for å flytte designet til midten av programvarens skjerm.
4. Trykk på "Fokusvisning" -knappen i programmet og klikk på kanten av bioroboten på skjermen. Dette vil flytte lasergraven til lasergraveren til det tilsvarende punktet.
5. Flytt waferen manuelt med pincett, slik at punktet på wafen som svarer til punktet som er klikket i 2.2.4, ligger direkte under ledende laserpunkt.
6. Trykk på "Start gravering for tidligere jobb" -knappen for å starte graveringsprosessen. Fjern waferen etter at graveringen er ferdig. Slå av alt utstyr.
  MERK: "Start gravering av tidligere jobb" -knappen er den store grønne trekant. Ikke se direkte på graveringsprosessen da laseren kan skade øynene. Figur 1a-3 viser denne prosessen.
7. Forberedelse og fabrikasjon av den biologiske aktuatorbasen.
  1. Hell glassperler (3 mm diameter) i et 15 ml rør. Dyp perlene med 70% etanol i DI vann i 24 timer. Fjern etanol og fyll røret med DI vann i 24 timer. Hell ut DI-vannet og plasser røret på en kokeplate ved 50 ° C for å lette tørkingen av glassperlene.
  2. Legg 3 g til mengden PDMS funnet i ligning (1) for å ta hensyn til PDMS som vil holde seg til beholderens sider under helling. Bruk ligning (2) for å finne PDMS base og herdemiddel mengder.
  3. Plasser en plastbeholder på veiingskala og nuller den ut. Hell mengden PDMS base som ble funnet i trinn 2.3.2 i beholderen, og nullstill den. Deretter helle mengden PDMS herdemiddel funnet i trinn 2.3.2 i beholderen.
  4. Bland PDMS grundig i 5 minutter.
    MERK: PDMS brukes i et forhold på 10: 1 base til herdemiddel. Blandingen skal ha mange bobler.
  5. PlassEn beholder som skal brukes til baking på en skala og null ut. Helt forsiktig ut den riktige mengden PDMS som ble funnet i trinn 2.3.2 (og blandet i trinn 2.3.4) i beholderen. Slip rensede glassperler gjennom hele PDMS-blandingen med jevne mellomrom. Legg minst 5 mm plass rundt hver perle til den biologiske aktuatorbase.
  6. Sett beholderen i et vakuumkammer. Reduser vakuumtrykket til 100 mbar og skru av vakuumpumpen. Etter 30 minutter, bryte vakuumet og fjern beholderen. Oppbevares dekket til bruk.
    MERK: Trykket i kammeret kan stige sakte over tid da blandingen avgasses og vakuumkammeret lekker. Hvis trykket øker vesentlig over 100 mbar, slår du på vakuumpumpen for å gjenopprette trykket til 100 mbar.
  7. Varm en kokeplate til 40 ° C. Plasser forsiktig beholderen med PDMS og glassperlene på varmeplaten. Dekk beholderen og bake over natten.
8. Biologisk aktuator montering. MERK: Følgende fremgangsmåte kan gjøres med det blotte øye.
  1. Kutt kuber (5 mm x 5 mm x 5 mm) ut av bulk PDMS laget i del 2.3 ved hjelp av et knivblad.
    MERK: En perle bør være i midten av hver terning.
  2. Rengjør alle sider av hver biologisk aktuatorbase for å fjerne eventuelle forurensninger på grunnflatene, ved å trykke på bunnen i båndet og ta av. Gjenta for hver side.
  3. Gjenta trinn 2.3.2 til 2.3.6 for å lage en liten mengde flytende PDMS. Dip spissen av en nål i den flytende PDMS. Plasser en dråpe av den flytende PDMS på det graverte basisområdet på wafen mønstret i trinn 2.2. Smør dråpen PDMS slik at den helt dekker 5 mm x 5 mm basisområdet.
    MERK: Basen er midtfirkanten i figur 2a .
  4. Bruk pincett til å plassere den rengjorte kuben fra trinn 2.4.2 på basisområdet som er dekket med flytende PDMS.
  5. Gjenta trinn 2.4.3 fra "Sett en dråpe flytende PDMS" til eNd og trinn 2.4.4 for hver enhet som skal gjøres.
  6. Varm en kokeplate til 40 ° C. Legg forsiktig silisiumplaten med aggregatene på kokeplaten. Dekk waferen og bake over natten.
    MERK : Hold monteringene festet til bruk. Figur 1a-4 viser den endelige innretningen.
3. Fremstilling av bioroboter (figur 1b)
1. Spinnbelegg og lasergravering en tynn PDMS-film
  1. Gjenta alle trinnene i 2.1 og 2.2 ved hjelp av en ny silisiumskive. Dette vil resultere i en silisiumskive med en tynn film av PDMS og en tynn film av fotoresisten, som er gravert med en biorobot-design.
    MERK : Mens du gjentar trinn 2.2, bruk biorobot-designen for lasergravering i stedet for den tidligere brukte biologiske aktuatordesignen. Figur 1b-1 og b-3 viser disse prosessene.
2. Forberedelse og fabrikasjon av PDMS componettsteder.
  MERK : Følgende fremgangsmåte kan gjøres med det blotte øye.
  1. Hell fenolske mikroballonger i et 50 ml rør til det er fullt. Fyll røret med 70% etanol i DI-vann og la det sitte i 24 timer. Hell ut etanolen, tilsett DI vann, og la den sitte i 24 timer. Hell ut DI-vannet, og legg deretter røret på en kokeplate ved 50 ° C for å lette tørking av mikroballongene før bruk.
  2. Bruk ligning (1) med MB-PDMS tetthet og 3,5 mm høyde for å finne volumet av PDMS som kreves. Legg 3 g til det totale beløpet for å ta hensyn til materialet som skal forbli i beholderen etter helling. Bruk ligning (3) for å finne PDMS base og herdemiddel mengder. Mål ut riktig mengde PDMS base, herdemiddel og mikroballonger ved hjelp av skalaen.
  3. Bruk ligning (1) med Ni-PDMS tetthet og 1,5 mm høyde for å finne volumet av PDMS som trengs. Legg 3 g til det totale beløpet som i trinn 3.2.2. Bruk ligning (2) for å finne PDMS-basen og herding aGent mengder. Mål ut riktig mengde PDMS base, herdemiddel og nikkelpulver ved hjelp av skalaen.
  4. Bland hver blanding av MB-PDMS og Ni-PDMS i 5 minutter. Helt forsiktig riktig mengde MB-PDMS og Ni-PDMS beregnet i 3.2.2 og 3.2.3 i separate beholdere med en skala.
    MERK : Blandingene skal blandes grundig med et metall eller en glassstang uten å skrape bunnflaten på blandebeholderen. Blandingen vil sammenfalle med bobler.
  5. Plasser begge beholderne i et vakuumkammer. Reduser trykket til 100 mbar i 30 minutter. Bryt vakuumet og fjern beholderne. Oppbevares dekket til bruk.
  6. Varm en kokeplate til 40 ° C. Plasser beholdere med MB-PDMS og Ni-PDMS på kokeplaten. Dekk hver beholder og bake over natten.
    MERK : Oppbevar med lokket til bruk.
3. Biorobot montering.
  1. Klipp biorobotbaser med dimensjoner til hver biorobotstørrelse fra Ni-PDMS og MB-PDMS ved hjelp av et knivblad. Se figur 2b-2d for basisdesign.
    MERK: Tykkelsen av Ni-PDMS er 1,5 mm, og den for MB-PDMS er 3,5 mm.
  2. Rengjør alle sider av biorobotbunnene for å fjerne eventuelle forurensninger på overflatene, ved å trykke på bunnen i båndet og fjerne. Gjenta for hver side.
  3. Slå på en koronaforsterker. Ta spissen av koronaforskyveren 1 cm over Ni-PDMS-basen, som er plassert på en metallplate med et renromssvev i mellom. Flytt spissen rundt bunnen og fortsett i 15 s for å behandle overflaten.
    MERK: Det må oppstå en utladning mellom koronaforlederen og waferen. Hvis det ikke gjør det, må du ta tippet nærmere til det oppstår en utslipp.
  4. Gjenta trinn 3.3.3 for å behandle overflaten av basen av en biorobot gravert i trinn 3.1 for samme varighet. Bruk pinsett til å plassere Ni-PDMS-behandlet side på den behandlede siden av filmen. La enheten stå i 5 minutter.
    MERK : Dette vil stronGlybind de to delene. Se figur 1b4 .
  5. Bruk skarpe pincett til å skille biorobot cantilever fra waferen og plasser den på bunnen av Ni-PDMS-basen. Bruk pinsett til å fjerne hele enheten fra waferen.
    MERK : Cantilever vil bli festet til Ni-PDMS-basen. Figur 1b-5 og b-6 viser dette.
  6. Legg en liten dråpe uherdet PDMS (10: 1 base til herdemiddel) på toppen av MB-PDMS-basen. Bruk pinsett til å plassere siden av Ni-PDMS med den tynne filmen PDMS på MB-PDMS med uherdet PDMS. Plasser forsamlingen i en petriskål av plast, og legg det på en kokeplate ved 40 ° C for å kurere over natten.
    MERK: Figur 1b-7 viser den endelige enheten.
4. Funksjonalisering av enhetene
MERK : Nedenfor beskriver vi prosessen med å forberede enhetene for celledødning.
1. prepEr de nødvendige materialene: Fibronectin-løsning (50 μg / ml), fosfatbuffersalinløsning (PBS), Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) tilsatt 10% føtalt bovint serum (FBS) og 1% Penicillin antibiotikum (DMEM komplett).
2. Plasser 100 μl fibronektinoppløsning i midten av en T-25 dyrkningskolbe (bunnoverflate når kolben sitter oppreist). Opprettholde separate kolber for hver enhet.
3. Plasser bioroboten eller den biologiske aktuatoren vendt ned over dråpen av fibronektinoppløsning. Sørg for at cantilever er utfoldet og nedsenket i dråpen. Inkuber ved 37 ° C i 30 minutter.
4. Etter inkuberingen, fjern fibronektinoppløsningen og vask to ganger med PBS.
5. Fjern PBS og fyll flasken med 10 ml DMEM. Inkuber ved 37 ° C i 1 time for å lette avgassing av PDMS. For å nedsenke biorobotene i 10 ml medier, bruk en magnet for å holde enheten på bunnen av kolben. Plasser kolben med samPles i et ultralydbad i 5 minutter for å fjerne boblene.
  MERK : I løpet av inkubasjonsperioden dannes luftbobler på PDMS-overflaten, som refereres til som avgassing her. Ni-PDMS brukt i biorobot-samlingen er magnetisk. Den biologiske aktuatoren trenger ikke en magnet fordi den forblir i bunnen av kolben på grunn av vekten av glassperlen. Bioroboten eller den biologiske aktuatorenheten er nå klar for sådd, som forklares i detalj i del 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den biologiske aktuatoren og bioroboten har meget lignende fabrikasjonsprosesser, da bioroboten er en naturlig forlengelse av den biologiske aktuatoren ( figur 1 ). Den biologiske aktuatoren ble utviklet først for å etablere teknikker som kreves for biorobot, å analysere kraften som genereres av cellene, og å karakterisere cellemetningen mekanisk og biokjemisk, som begge er beskrevet i detalj i del 2 i denne todelt artikkelen som Så vel som i vårt nylig publiserte arbeid ¹⁵ .

Fjærkonstanten til aktuatoren ble vurdert og innstilt for en stor forandring i krumningsradiusens radius under full sammentrekning av kardiomyocytarket. Deretter utviklet vi bioroboten mens vi ga spesielt hensyn til stabiliteten, kontrollen under cellesedingen og letthet av lokomotiv. I utgangspunktet ble det valgt noen få modeller, som vistI figur 2b-2d , med forskjellige egenskaper for å vurdere hvilke attributter som bidrar mest til designkravene. Bioroboter ble designet og testet med korte, lange og brede cantilevers, samt med flere cantilevers for å teste effekten av endringer i aktuatoren på biorobot-funksjonen. Vi vurderte også forskjellige størrelser på den flytende basen. Basisens geometri ble opprettholdt som en trekant, da den skaper den asymmetri som ville resultere i en retningsbevegelse.

Stabiliteten av bioroboten var en kritisk komponent i designprosessen. Det øverste MB-PDMS-laget ble brukt til å gi oppdrift til enheten, mens det nedre Ni-PDMS-laget ble brukt for stabilitet og magnetisk kontroll. På grunn av høyere tetthet gir basislaget laget av nikkel bioroboten muligheten til å holde seg oppreist og gå tilbake til sin opprinnelige posisjon etter eksponering for eksterne forstyrrelser; Vist i figur 3

Følgende ligning kan beskrive høyden på biorobotene over overflaten av mediet:
ligningen
Hvor H _Ni , H _Mb , ρ _medium , ρ _Mb og ρ figur 3b ). Biorobots høyde er en kritisk faktor som påvirker den maksimale belastningen den kan bære og stabiliteten. Ytterligere vektbelastning på basen vil senke biorobotene i mediet, og et større volum av basen vil bli nedsenket. Det ekstra volumet som skal senkes, har en tetthet lavere enn mediet og gir ekstra oppdrift for å løfte den ekstra vekten. Derfor, for å øke den maksimale lasten, må vi øke h så mye som mulig. Likevel vil biorobotens stabilitet bli redusert etter hvert som h øker. For maksimal stabilitet, bør senterets vekt legges så lavt som mulig. Imidlertid vil økende h legge vekten av bioroboten nær eller over mediet, destabilisere bioroboten. Derfor er detaljert analyse nødvendigFor å optimalisere stabiliteten og maksimal belastning samtidig før modifisering av biorobotens grunnstruktur.

For å bestemme riktig tykkelse av hvert komposittlag ble ulike blandingsforhold testet med Ni-PDMS og MB-PDMS. Maksimal og minimum tetthet som lett kunne blandes var 0,488 g / cm3 for MB-PDMS og 1,64 g / cm3 for Ni-PDMS, som vist i figur 3a . Alle biorobothøyder ble utformet slik at gjenopprettingsmomentet til en biorobot i en hvilken som helst vippevinkel ville være sterk nok til å bringe den tilbake til horisontalposisjonen. En trekantet form ble brukt for å redusere hydrodynamisk træk. De endelige dimensjonene er vist i figur 3d . Ved hjelp av et dataskript ble stabiliteten numerisk analysert og vist seg å ha et sterkt gjenopprettingsmoment ved bruk av tolagsmetoden, som vist i figur 3e . Se tabell over materialer og tilleggsinformasjonN for dataprogrammet som brukes.

Figur 1
Figur 1: Prosessflyt for fremstilling av den biologiske aktuatoren og bioroboten. Hver tegning representerer trinnene i materialene og metodene i protokollseksjonene 2 og 3 for biologisk aktuator og biorobot-fabrikasjon. PDMS cantilevers er produsert av spin-belegg og lasergravering. Deretter festes kantene til en stasjonær base med en glassperle for den biologiske aktuatoren ( a ) eller til en selvstabiliserende flytende base for bioroboten ( b ). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2
Figur 2: Dimensjoner avDen biologiske aktuatoren og biorobotene som er produsert i denne studien og CAD-filene for gravering, både den biologiske aktuatoren og ulike typer bioroboter. ( A ) Biologisk aktuator. ( B ) Dobbeltarm cantilever biorobot. ( C ) Brede arm cantilever biorobot. ( D ) En-arm biorobot. ( E ) CAD tegning av biologisk aktuator for lasergravering. ( F ) CAD tegning av bioroboter for lasergravering. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3
Figur 3: Blandingstensiteter for Ni-PDMS og MB-PDMS og stabiliteten til biorobotene. ( A ) Blandingsforhold og resulterende tettheter. ( B ) tettheter og hælHts av basene i forhold til media. ( C ) Rotasjon og restaurering av bioroboten når den vippes. Forskjellen mellom tyngdepunktet (CG) og senteret av oppdrift (CB) genererer et roterende øyeblikk. Dette øyeblikket vil enten gjenopprette bioroboten eller få den til å vippe videre. ( D ) Dimensjonene av enkelarm biorobot i millimeter skala. ( E ) Gjenopprettingsstyrken ble simulert for single arm biorobot vist i del (c) under tiltbetingelser i (b) ved bruk av to lag (Ni-PDMS og MB-PDMS) versus enkeltlag (MB-PDMS). Grafen viser at et enkeltlags biorobot ikke vil gjenopprette seg selv hvis det er vippet over 45 °, mens den tolagede bioroboten alltid vil ha positiv gjenopprettingsevne, og holde bioroboten oppreist. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ulike bevegelsesmekanismer finnes blant akvatiske svømmere ¹⁶ . Biorobotens fremdriftsmekanisme i denne studien bruker finbasert lokomotion, spesielt ostraciiform lokomotion. Ostraciiform svømmere driver seg ved å vri en hale (cantilever) og ha en stiv kropp (lagdelt base) ¹⁶ . Fisk som boxfish og cowfish bruker denne typen lokomotiv. Ostraciiform svømmere er vanligvis sakte og har ineffektive kroppsdimensjoner. Selv om ostraciiform svømming mangler hastighet, tillater denne form for svømming ingeniører å implementere ulike funksjoner (som dynamisk stabilitet) på bunnen eller kroppen. Den biorobot-designen som ble utviklet i denne studien, er basert på en solid base for flyt og stabilitet, med en selvvirkende cantilever som fremdriftsmekanismen. En av de viktigste trinnene i fremstilling av biorobot i denne studien er den tynne filmen PDMS og lasergraveringsprosessen for å danne cantispaken. Uten en ren cantilever, den riktige blandingen av PDMS (for elastisitet), riktig tykkelse (for fjærkonstant) og dimensjoner (har tilstrekkelig område for sammenflyttende adhesjon av kardiomyocytter til å produsere bevegelse), vil bioroboten ikke virke. Videre er det også nødvendig å fjerne alle bobler fra den kantløse overflaten gjennom ultralydbehandling for å skape en levedyktig overflate for kardiomyocytfeste.

De utviklede PDMS komposittmaterialene, MB-PDMS og Ni-PDMS, kan brukes til å justere dybdypsdybden nøyaktig og med hell produsere den dynamiske stabiliteten til biorobots. Massetettheten av disse materialene kan finjusteres, som vist på figur 3a . Videre viser disse materialene ikke noen negative effekter på modning og sammentrekning av kardiomyocyttene som vi har vist i vårt siste arbeid ¹⁵ . Derfor kan de utviklede materialene bli mye brukt til å implementere en selvstabiliserende og flytende strukturE for bioroboter og andre applikasjoner.

Selv om den nåværende protokollen kunne bygge en selvstabiliserende svømmebiorobot, har den noen begrensninger. For det første, fordi cantileveren er manuelt avskåret fra waferen, kan cantileveren deformeres under prosessen og repeterbarheten av biorobotytelsen påvirkes. Dette kan løses ved å bruke et vannoppløsende offerlag i stedet for fotoresistlaget, slik at cantileveren lett kan fjernes fra waferen; Større cantilevers kan også brukes til høyere kraft. For det andre er prosedyren hovedsakelig avhengig av manuell drift. Fremstillingsprosedyren kan strømlinjeformes for høyere effektivitet. For eksempel kan forsamlingsprosessen inkludert kardiomyocyt-såing modifiseres slik at den gjennomføres på et wafernivå i stedet for individuelt innretningsnivå. Til slutt kan formen på den trekantede bunnen av bioroboten optimaliseres for å øke retningen og stabiliteten til svømmingen.

<P class = "jove_content"> Bioroboter som utnytter kraften som genereres av levende muskelceller, er av stor interesse som et alternativ til tradisjonelle helt kunstige roboter. Denne protokollen bruker mykt litografi og bio-MEMS teknikker til å produsere en selvstabiliserende, svømmende biorobot. Den spesielle utformingen kan viderefineres. Effektiviteten til aktuatoren kunne økes ved mønsterjusteringskanaler for kardiomyocyttene på den kantløse overflaten. Dette vil fremme celleorientering og kan øke kraftgenerasjonen av cariomyoctyene ¹⁷ . Dimensjonene kan også varieres eller flere cantilever armer kan festes, for ytterligere å øke nettakraften fra synkroniserte sammentrekninger. Som beskrevet tidligere tillater flerlagsbasen å skreddersy høyden av bioroboten over medieoverflaten. Dette bestemmer maksimal last og stabilitet. Videre kan vi erstatte eller legge ledende materialer til cantilever for å fAcilitate elektrisk stimulering. Elektrisk stimulering kan brukes til å kontrollere kontraksjonshastigheten av celler og hastigheten på biorobotene. Vi tror at de presenterte metodene kan brukes til å utvikle svært effektive bioroboter for applikasjoner som liten pakkelevering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre

Acknowledgments

MT Holley støttes av Graduate Fellows programmet fra Louisiana Board of Regents og C. Danielson støttes av Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Denne studien støttes av NSF Grant No: 1530884. Forfatterne ønsker å takke støtten til cleanroom ved Senter for avanserte mikrostrukturer og enheter (CAMD).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Dow Corning	184 sil elast kit 0.5kg	Sylgard 184
Nickel Powder	Sigma-Aldrich	266981-100G
Phenolic microballoons	US Composites	BJO-0930
Silicon wafers			4 inch diameter
PWM101 light-duty spinner			Spin- coater
Positive photoresist (S1808)	Dow Corning	DEM-10018197
Hotplate
Vacuum chamber
M206 mechanical convection oven			Convection oven
Laser engraver	Universal Laser System	VLS2.30	Utilizes a 10 W, 10.6 µm wavelength, CO₂ Laser
Universal Laser Systems Application	Universal Laser System		Application for running the VLS 2.30
Matlab	MathWorks		Numerical analysis program
Scotch Tape	Scotch Brand
Solid-glass beads	Sigma-Aldrich	Z265926-1EA	Soda-lime glass, diameter 3 mm
Scale	Mettler Toledo	EL303
BD-20AC Laboratory Corona Treater	Electrotechnic Products	12051A	Corona Discharger
Ultrasonic Bath 1.9 L	Fisher Scientific	15-337-402	40 kHz industrial transducer
Fibronectin from bovine plasma	Sigma-Aldrich	F1141
Dulbecco’s Phosphate Buffer (PBS)	Sigma-Aldrich	D1408-100ML
Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM)	Hyclone Laboratories	16750-074	With 4500 mg/L glucose, 4.0 mM L-glutamine, and 110 mg/L sodium pyruvate.
Fetalclone III serum	Hyclone Industries, GE	16777-240	Fetal bovine serum
Penicillin-G sodium salt	Sigma-Aldrich	P3032

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

Williams, B., Anand, S., Rajagopalan, J., Saif, M. A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number. Nat commun. 5, (2014).
Nawroth, J., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nat Biotechnol. 30 (8), 729-797 (2012).
Huge Herr,, D, A swimming Robot Actuated by Living Muscle Tissue. J Neuroeng. Rehabil. 1, (2004).
Park, S., al, el Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
Chan, V., Park, K., Colleens, M., Kong, H., Saif, T., Bashir, R. Development of miniaturized walking biological machines. Sci. Rep. 2, 857 (2012).
Cvetkovic, C., et al. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle. PNAS. 111, 10125-10130 (2014).
Xi, J., Scmidt, J., Montemagno, C. Self-assembled microdevices driven by muscle. Nat. Mater. 4, 180-184 (2005).
Kim, J., et al. Establishment of a fabrication method for a long-term actuated hybrid cell robot. Lab Chip. 7, 1504-1508 (2007).
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).
Park, J., et al. Micro pumping with cardiomyocyte-polymer hybrid. Lab Chip. 7, 1367-1370 (2007).
Akiyama, Y. Atmospheric-operable bioactuator powered by insect muscle packaged with medium. Lab Chip. 13, 4870-4880 (2013).
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).
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).
Vannozi, L., et al. Self-assembly of polydimethylsiloxane structures from 2D to 3D for bio-hybrid actuation. Bioinspiration Biomimetics. 10 (5), (2015).
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).
Sfakiotakis, M., Lane, D., Davies, J. Review of fish swimming modes for aquatic locomotion. IEEE J. Oceanic Eng. 24, 237-252 (1999).
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).

Bioengineering

Kardial muskelcellebasert aktuator og selvstabiliserende biorobot - DEL 1

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.