Summary
في هذه الدراسة من جزئين، تم تطوير المحرك البيولوجي باستخدام بوليتيميثيلزيلوكسان مرنة للغاية (بدمس) الكابولي وخلايا العضلات الحية (العضلية)، وتتميز. تم تأسيس المحرك البيولوجي مع قاعدة مصنوعة من المواد المعدلة بدمس لبناء الذاتي الاستقرار، بيوروبوت السباحة.
Abstract
الآلات البيولوجية غالبا ما يشار إليها باسم بيوروبوتس، هي الخلايا الحية أو الأنسجة القائمة على الأجهزة التي تعمل فقط من قبل النشاط مقلص من المكونات الحية. ونظرا لمزاياها الكامنة، تكتسب بيوروبوتس اهتماما كبديل للروبوتات الاصطناعية التقليدية تماما. وقد ركزت دراسات مختلفة على تسخير قوة المحركات البيولوجية، ولكن الدراسات التي أجريت مؤخرا فقط وصفت كميا أداء بيوروبوتس ودرس هندستها لتعزيز الأداء الوظيفي والكفاءة. هنا، علينا أن نبرهن على تطوير بيوروبوت السباحة الاستقرار الذاتي التي يمكن الحفاظ على الملعب، وعمق، ولفة دون تدخل خارجي. تصميم وتصنيع السقالات بدمس للمحرك البيولوجي والبيوروبوت تليها فونكتيوناليزاشيون مع فبرونيكتين يوصف في هذا الجزء الأول. في الجزء الثاني من هذه المادة من جزأين، ونحن بالتفصيل دمج عضلة القلب وتوصيف أكتو البيولوجيةأتور و بيوروبوت وظيفة. كلاهما يتضمن قاعدة والذيل (ناتئ) التي تنتج الدفع القائم على الزعنفة. الذيل هي التي شيدت مع تقنيات الطباعة الحجرية لينة باستخدام بدمس والنقش بالليزر. بعد دمج الذيل مع قاعدة الجهاز، فمن فونكتيوناليزد مع بروتين لاصقة الخلية والمصنفة كونفلنتلي مع كارديوميوسيتس. قاعدة المحرك البيولوجي يتكون من كتلة بدمس الصلبة مع حبة الزجاج المركزي (يعمل كوزن). قاعدة بيوروبوت يتكون من اثنين من المواد بدمس مركب، ني بدمس و ميكروبالون-بدمس (مب-بدمس). مسحوق النيكل (في ني بدمس) يسمح السيطرة المغناطيسية من بيوروبوت خلال الخلايا البذر والاستقرار أثناء الحركة. ميكروبالونس (في مب-بدمس) تقليل كثافة مب-بدمس، وتمكين بيوروبوت لتطفو والسباحة بشكل مطرد. استخدام هاتين المادتين بكثافة كتلة مختلفة، مكنت التحكم الدقيق في توزيع الوزن لضمان قوة استعادة إيجابية في أي زاوية من البيوروبوت. هذه التقنيةتنتج بيوروبوت السباحة التي تسيطر عليها مغناطيسيا الذاتي الاستقرار.
Introduction
ويجري النظر بنشاط في المحركات البيولوجية والبيوروبوتات لتوفير بديل للروبوتات التقليدية للعديد من التطبيقات. بيوروبوتس التي المشي 5 ، 6 ، 7 ، 8 ، السباحة 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، مضخة 9 ، 10 ، أو قبضة 11 ، 12 ، 13 قد وضعت بالفعل. وبالمثل، يمكن دمج الخلايا العضلية في هيكل بدمس تدحرجت 3D 14 . في كثير من الأحيان، يتم تصنيعها العمود الفقري بيوبوبوت باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية لينة مع مواد مثل الهلاميات المائية و بدمس (بوليديميثيلزيلوكسان). هذه هي خيارات جذابة بسبب مرونتها، بيوكومباتيبوالصلابة بسهولة الانضباط. وعادة ما تدمج خلايا العضلات الحية مع هذه المواد لتوفير توليد القوة من خلال الانكماش. خلايا عضلة القلب الثدييات (خلايا عضلية) وخلايا العضلات والهيكل العظمي قد استخدمت بشكل مهيمن ليشتغل. إلى جانب هذين، تم استخدام أنسجة العضلات الحشرية لتشغيل بيوروبوتس في درجة حرارة الغرفة 3 . في هذه الدراسة من جزأين، تم اختيار كارديوميوسيتس بسبب انكماش عفوية 6 .
وقد ركز الكثير من البحوث السابقة على بيوروبوتس على تطوير المحركات البيولوجية في حين تم الاستغناء إلى حد كبير من العمارة بيوروبوت وتطور وظائف أساسية لل بيوروبوتس إلى حد كبير. في الآونة الأخيرة، أظهرت بعض التقارير تنفيذ مختلف أساليب السباحة التي كانت مستوحاة من وسائط الدفع وجدت في الطبيعة. وتشمل هذه الأساليب أفلام بدمس وخلايا العضلات لتقليد مختلف طرق الدفع الطبيعي. على سبيل المثال، دفع سائل القائم 1 ، بيوميمتيك قنديل البحر الدفع 2 ، الحيوي الهجين راي 4 ، وأجهزة رقيقة بدمس السباحة 13 تم الإبلاغ عنها.
في هذه الورقة، نقدم عملية تلفيق بيوروبوتس السباحة الاستقرار الذاتي التي يمكن الحفاظ على عمق الغمر وكذلك الملعب ولفة. بيوروبوت لديها قاعدة صلبة أو الجسم، الذي يدفعه ناتئ واحد مع كارديوميوسيتس تعلق على سطحه. وتسبب الخلايا العضلية في انحناء ناتئ في اتجاه طولية عند التعاقد. هذا النوع من السباحة تصنف على أنها السباحة النبضية. القدرة على إضافة وظائف إضافية على القاعدة هي ميزة فريدة من نوعها للسباحة النبضية. على سبيل المثال، يمكن استخدام القاعدة لتوفير الطفو الزائد لحمل شحنات إضافية أو دوائر التحكم لانكماش كارديوميوسيت.
المزيدمن بيوروبوت غالبا ما يتم تجاهلها في الدراسات السابقة من بيوروبوتس. في هذه الدراسة، نفذنا الاستقرار الذاتي من خلال تصميم قاعدة مع مواد بدمس مركب مختلفة من كثافات الكتلة متفاوتة. وبالتالي بيوروبوت يظهر مقاومة للاضطرابات الخارجية ويحافظ على عمق الغمر، الملعب ولفة، دون مساعدة. الطبقة الأولى هي ميكروبالون بدمس (مب-بدمس)، أي بدمس مختلطة مع ميكروبالونز، مما يقلل من كثافة بيوروبوت، مما يتيح لها أن تطفو في وسائل الإعلام. الطبقة الثانية هي ناتئ بدمس، ويتم تصميم سمكه بحيث القوة التي تولدها الخلايا العضلية يمكن أن ينحني بشكل كبير ناتئ من 45 درجة إلى 90 درجة. الطبقة السفلى هي النيكل بدمس (ني بدمس)، أي بدمس مختلطة مع مسحوق النيكل. تؤدي هذه الطبقة وظائف متعددة. فمن المغناطيسي، وبالتالي يسمح بيوروبوت أن ترسو في الجزء السفلي من المتوسطة، خلال زرع الخلايا، مع المغناطيس. خليط النيكل هو أعلى كثافة من مب-بدمس ومتوسطة، وضمان وضع مستقيم من بيوروبوت في حين العائمة. وزن هذه الطبقة يولد عزم استعادة على بيوروبوت في أي الملعب ولفة. أيضا، فإن نسبة حجم بين ني بدمس و مب-بدمس يحافظ على عمق الغمر. البروتوكولات المقدمة ستكون مفيدة للغاية للباحثين المهتمين في وصف قوة الضرب من خلايا العضلات والأنسجة، وكذلك أولئك الذين يرغبون في بناء بيوروبوتس السباحة.
يتم وصف البذر من المحرك البيولوجي فونكتيوناليزد وأجهزة بيوروبوت، وتوصيف الميكانيكية والبيوكيميائية للخلايا، والتحليل الكمي لوظيفة الجهاز بالتفصيل في الجزء 2 من هذه المادة من جزأين وكذلك في العمل الأخير 15 .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. حساب كتلة من بدمس والمواد المضافة
- استخدام المعادلة التالية للعثور على كتلة بدمس اللازمة لارتفاع معين في الإجراءات التالية،
M = ρ * V = ρ * الارتفاع * المساحة (1)،
حيث 'الارتفاع' هو ارتفاع الطبقة، 'منطقة' هي منطقة الحاوية التي سيتم شفاء بدمس في، 'ρ' هو كثافة الخليط و 'V' هو حجم.
ملاحظة: الكثافات لحسابات الارتفاع هي بدمس = 0.965 ز / مل، ني بدمس = 1.639 ز / مل، مب-بدمس = 0.648 ز / مل. - استخدام المعادلة (1) لتقدير كتلة بدمس اللازمة، لحاوية معينة، للحصول على ارتفاع محدد (5 ملم) لقاعدة المحرك البيولوجي. كثافة الناتجة من بدمس هو 0.965 ز / مل.
ملاحظة: نسبة 10: 1 قاعدة لعلاج وكيل بالوزن.
M بيس = ρ * V = ρ * V * (
)(2)
M كيلينغ إدجنت = ρ * V = ρ * V * (
) - استخدام المعادلة (1) للعثور على كتلة ني بدمس اللازمة، لحاوية معينة، للحصول على ارتفاع محدد (1.5 ملم) من القاعدة السفلى من بيوروبوت.
ملاحظة: نسب هي 1: 1.88 (النيكل مسحوق ل بدمس بالوزن) و 1: 1.71: 0.171 (النيكل مسحوق إلى بدمس قاعدة ل بدمس علاج وكيل بالوزن). فإن كثافة الناتجة من ني بدمس يكون 1.639 غ / مل.
M نيكل = ρ * V = ρ * V * (
) (3)
M بيس = ρ * V = ρ * V * (
)
M كيلينغ إدجنت = ρ * V = ρ * V * (
) - وبالمثل، استخدم المعادلة (1) إلى f إند كتلة من مب-بدمس اللازمة، لحاوية معينة، للحصول على ارتفاع محدد (3.5 ملم) من القاعدة العليا من بيوروبوت.
ملاحظة: نسب 1: 5 (ميكروبالونس إلى بدمس بالوزن) و 1: 4.54: 0.454 (ميكروبالونس إلى بدمس قاعدة ل بدمس علاج وكيل بالوزن). وتكون الكثافة الناتجة من مب-بدمس 0.648 غ / مل.
M ميكروبالون = ρ * V = ρ * V * (
) (4)
M بيس = ρ * V = ρ * V * (
)
M كيلينغ إدجنت = ρ * V = ρ * V * (
) - التحقق من الاستقرار الديناميكي للبايوروبوت مع البعد المطلوب والهندسة باستخدام البرامج النصية تحليل؛ انظر المعلومات التكميلية، 'Biorobot_dynamic_stability.m' و 'CG_CB_calculation.m'.
)(2) 
) 
) (3) 
) 
) 
) (4) 
) 
) ملاحظة: انظر الشكل 1A.
- تدور معطف طبقة رقيقة من بدمس (انظر الشكل 1A-1 و a2). سمك فيلم بدمس الناتجة سيكون 25 ميكرون.
- وضع رقاقة السيليكون على سبينر مقاومة للضوء والوجه التبديل مضخة على لإنتاج شفط.
ملاحظة : رقاقة السيليكون لديه قطر 4 بوصة وسمك 500 ميكرون. - صب مقاوم للضوء إيجابي (على سبيل المثال S1808) على رقاقة السيليكون حتى يتم تغطية الرقاقة تماما. برنامج الدوار لتدور في 2000 دورة في الدقيقة لمدة 20 ثانية. ثم، إشراك الدوار عن طريق الضغط على دواسة القدم. إيقاف الشفط بعد الغزل.
- تسخين لوحة ساخنة تصل إلى 120 درجة مئوية. استخدام ملاقط رقاقة لالتقاط رقاقة السيليكون من الدوار ووضع رقاقة السيليكون مباشرة على موقد. تغطية الرقاقة مع طبق بتري الضحلة وخبز لمدة 10 دقيقة.
ملاحظة : يمكن استخدام الفرن إلى باكه الرقاقة باستخدام نفس درجة الحرارة والمدة. الشكل 1 أ -1 يصور هذه العملية. - وضع حاوية بلاستيكية على مقياس وزنها والصفر بها. صب 6 غرام من قاعدة بدمس في الحاوية وإضافة 0.6 غرام من بدمس علاج وكيل. مزيج بدمس تماما لمدة 5 دقائق.
ملاحظة: بعد الخلط، يجب أن يكون الخليط متموجة مع الفقاعات. - وضع حاوية مختلطة بدمس في غرفة فراغ. تقليل الضغط من غرفة الفراغ إلى 100 ملي بار وترك الحاوية في الغرفة لمدة 30 دقيقة. كسر الفراغ، وإزالة الحاوية. إبقاء الحاوية مغطاة حتى الاستخدام.
- وضع رقاقة السيليكون مع طبقة مقاومة للضوء خبز على الدوار. تصب ببطء كامل خليط بدمس ديغاسد على الرقاقة.
ملاحظة: صب ببطء بحيث يتم إدخال أي فقاعات جديدة في الخليط. - تعيين الدوار إلى 1200 دورة في الدقيقة لمدة 5 دقائق. بدوره على شفط الدوار وإشراك الدوار. إيقاف الشفط بعد الغزل.
ملاحظة: Tهيس يؤدي إلى 25 ميكرون طبقة سميكة من بدمس. - تسخين الفرن إلى 40 درجة مئوية. استخدام ملاقط رقاقة لالتقاط رقاقة السيليكون من الدوار، ثم ضعه في الفرن. خبز الرقاقة بين عشية وضحاها ثم تبريد الرقاقة في درجة حرارة الغرفة.
ملاحظة: الشكل 1A-2 يصور هذه العملية.
- وضع رقاقة السيليكون على سبينر مقاومة للضوء والوجه التبديل مضخة على لإنتاج شفط.
- النقش بالليزر من طبقة بدمس الرقيقة.
- بدوره على مفتاح الطاقة من حفارة ليزر وعادم لها. بدوره على جهاز الكمبيوتر متصلا حفارة ليزر. فتح برنامج حفارة الليزر.
- تحت خيار "ملف"، افتح الملف تصميم المحرك البيولوجي هو مبين في الشكل 2E.
- اضغط على زر "إعدادات". انقر على "الأزرق" وتغيير إعداد الطاقة إلى 3٪ والسرعة إلى 4٪. انقر على "تعيين". انقر على "أسود" وتغيير "الوضع" لتخطي. ثم انقر على "تعيين". تفعل الشيء نفسه بالنسبة "الأحمر". اضغط على زر "تطبيق" لإنهاءالإعدادات."
- اضغط على زر "تنشيط النقش" في أعلى اليسار.
- اضغط على زر "نقل" لنقل التصميم إلى وسط شاشة البرنامج.
- اضغط على زر "التركيز البؤري" في البرنامج وانقر على حافة بيوروبوت على الشاشة. هذا سوف تتحرك نقطة ليزر توجيه من حفارة ليزر إلى النقطة المقابلة.
- نقل الرقاقة يدويا مع ملاقط، بحيث النقطة على الرقاقة المقابلة لنقطة النقر في 2.2.4 هو مباشرة تحت نقطة ليزر توجيه.
- اضغط على "ابدأ نقش الوظيفة السابقة" زر لبدء عملية الحفر. إزالة الرقاقة بعد اكتمال النقش. أوقف تشغيل جميع المعدات.
ملاحظة: زر "بدء إنغرافينغ الوظيفة السابقة" هو المثلث الأخضر الكبير. لا تنظر مباشرة في عملية الحفر كما الليزر يمكن أن تضر العينين. الشكل 1 أ -3 يصور هذه العملية. - إعداد وتصنيع قاعدة المحرك البيولوجي.
- صب الخرز الزجاجي (قطرها 3 ملم) في أنبوب 15 مل. تزج الخرز مع الايثانول 70٪ في الماء دي لمدة 24 ساعة. إزالة الإيثانول وملء الأنبوب مع الماء دي لمدة 24 ساعة. صب الماء دي ووضع أنبوب على موقد في 50 درجة مئوية لتسهيل تجفيف الخرز الزجاجي.
- إضافة 3 غرام إلى كمية بدمس وجدت في المعادلة (1) لحساب بدمس التي ستلتزم الجانبين الحاوية أثناء صب. استخدام المعادلة (2) للعثور على قاعدة بدمس وكميات وكيل علاج.
- وضع حاوية بلاستيكية على مقياس وزنها والصفر بها. صب كمية من قاعدة بدمس وجدت في الخطوة 2.3.2 في الحاوية والصفر بها. ثم صب كمية بدمس وكيل علاج وجدت في الخطوة 2.3.2 في الحاوية.
- مزيج بدمس تماما لمدة 5 دقائق.
ملاحظة: يستخدم بدمس في نسبة 10: 1 قاعدة لعلاج وكيل. يجب أن يكون الخليط العديد من الفقاعات. - مكانحاوية لاستخدامها في الخبز على نطاق و صفر. تصب بعناية كمية الصحيح من بدمس وجدت في الخطوة 2.3.2 (ومختلطة في الخطوة 2.3.4) في الحاوية. إسقاط الخرز الزجاجية تنظيفها في جميع أنحاء خليط بدمس على فترات منتظمة. اترك ما لا يقل عن 5 مم من المساحة المحيطة بكل حبة لقاعدة المحرك البيولوجي.
- وضع الحاوية في غرفة فراغ. تقليل ضغط الفراغ إلى 100 م بار وإيقاف مضخة فراغ. بعد 30 دقيقة، وكسر فراغ وإزالة الحاوية. حافظ على تغطية حتى الاستخدام.
ملاحظة: الضغط في الغرفة قد ترتفع ببطء مع مرور الوقت كما يغلي الخليط وتسريب غرفة فراغ. إذا زاد الضغط بشكل كبير على 100 ميغا بار، قم بتشغيل مضخة الفراغ لاستعادة الضغط إلى 100 ميليبار. - تسخين موقد إلى 40 درجة مئوية. وضع بعناية حاوية بدمس والخرز الزجاجي على طبق ساخن. تغطية الحاوية والخبز بين عشية وضحاها.
- تجمع المحرك البيولوجي. ملاحظة: يمكن أن يتم الإجراء التالي بالعين المجردة.
- قطع مكعبات (5 ملم × 5 مم × 5 مم) من بدمس الجزء الأكبر المحرز في الجزء 2.3 باستخدام شفرة حلاقة.
ملاحظة: يجب أن تكون حبة واحدة في وسط كل مكعب. - تنظيف جميع جوانب كل قاعدة المحرك البيولوجي، لإزالة أي تلوث على الأسطح قاعدة، عن طريق الضغط على قاعدة في الشريط وإزالة. كرر لكل جانب.
- إعادة الخطوات 2.3.2 إلى 2.3.6 لجعل كمية صغيرة من بدمس السائل. تراجع غيض من إبرة في بدمس السائل. وضع قطرة من بدمس السائل على منطقة قاعدة محفورة من رقاقة منقوشة في الخطوة 2.2. تشويه قطرة بدمس بحيث يغطي تماما 5 مم × 5 مم منطقة قاعدة.
ملاحظة: منطقة قاعدة هو القسم مربع الأوسط في الشكل 2A . - استخدام ملاقط لوضع مكعب تنظيفها من الخطوة 2.4.2 على منطقة القاعدة التي يتم تغطيتها مع بدمس السائل.
- كرر الخطوة 2.4.3 من "وضع قطرة من بدمس السائل" إلى البريدالثانية و الخطوة 2.4.4 لكل جهاز من شأنها أن تكون مصنوعة.
- تسخين موقد إلى 40 درجة مئوية. وضع بعناية رقاقة السيليكون مع الجمعيات على طبق ساخن. تغطية الرقاقة والخبز بين عشية وضحاها.
ملاحظة : إبقاء التجميعات المرفقة حتى الاستخدام. الشكل 1 أ -4 يصور الجهاز النهائي.
- قطع مكعبات (5 ملم × 5 مم × 5 مم) من بدمس الجزء الأكبر المحرز في الجزء 2.3 باستخدام شفرة حلاقة.
3. تصنيع بيوروبوتس (الشكل 1B)
- تدور طلاء والليزر النقش فيلم بدمس رقيقة
- كرر كل الخطوات في 2.1 و 2.2 باستخدام رقاقة السيليكون الجديد. وهذا يؤدي إلى رقاقة السيليكون مع طبقة رقيقة من بدمس وفيلم رقيقة من مقاوم للضوء، وهو محفور مع تصميم بيوروبوت.
ملاحظة : أثناء تكرار الخطوة 2.2، استخدم تصميم بيوروبوت لنقش الليزر بدلا من تصميم المحرك البيولوجي المستخدمة سابقا. الأشكال 1b-1 و b-3 يصور هذه العمليات.
- كرر كل الخطوات في 2.1 و 2.2 باستخدام رقاقة السيليكون الجديد. وهذا يؤدي إلى رقاقة السيليكون مع طبقة رقيقة من بدمس وفيلم رقيقة من مقاوم للضوء، وهو محفور مع تصميم بيوروبوت.
- إعداد وتصنيع كومبو بدمسالمواقع.
ملاحظة : يمكن أن يتم الإجراء التالي بالعين المجردة.- صب الفينول ميكروبالونز في أنبوب 50 مل حتى الكامل. ملء أنبوب مع الايثانول 70٪ في المياه دي والسماح لها الجلوس لمدة 24 ساعة. صب الايثانول، إضافة الماء دي، والسماح لها الجلوس لمدة 24 ساعة. صب الماء دي، ومن ثم وضع أنبوب على موقد في 50 درجة مئوية لتسهيل تجفيف ميكروبالونز قبل الاستخدام.
- استخدام المعادلة (1) مع كثافة مب-بدمس وارتفاع 3.5 ملم للعثور على حجم بدمس المطلوبة. إضافة 3 غرام إلى المبلغ الإجمالي، لحساب المواد التي ستبقى في الحاوية بعد صب. استخدام المعادلة (3) للعثور على قاعدة بدمس وكميات وكيل علاج. قياس كمية مناسبة من قاعدة بدمس، وكيل علاج، و ميكروبالونس باستخدام مقياس.
- استخدام المعادلة (1) مع ني-بدمس الكثافة وارتفاع 1.5 ملم للعثور على حجم بدمس اللازمة. إضافة 3 غرام إلى المبلغ الإجمالي كما هو موضح في الخطوة 3.2.2. استخدام المعادلة (2) للعثور على قاعدة بدمس وعلاج أجينت. قياس كمية مناسبة من قاعدة بدمس، وكيل علاج، ومسحوق النيكل باستخدام مقياس.
- مزيج كل خليط من مب-بدمس و ني-بدمس لمدة 5 دقائق. صب بعناية المبلغ الصحيح من مب-بدمس و ني-بدمس المحسوبة في 3.2.2 و 3.2.3 في حاويات منفصلة باستخدام مقياس.
ملاحظة : يجب أن تكون الخلطات مختلطة تماما من قبل قضيب معدني أو زجاج دون خدش السطح السفلي من حاوية الخلط. سيكون الخليط متلائما مع الفقاعات. - وضع كل من الحاويات في غرفة فراغ. خفض ضغطها إلى 100 ميلي بار لمدة 30 دقيقة. كسر الفراغ وإزالة الحاويات. حافظ على تغطية حتى الاستخدام.
- تسخين موقد إلى 40 درجة مئوية. مكان الحاويات مع مب-بدمس و ني-بدمس على طبق ساخن. تغطية كل حاوية وخبز بين عشية وضحاها.
ملاحظة : تخزين مع غطاء حتى الاستخدام.
- بيوروبوت التجمع.
- قطع قواعد بيوروبوت الأبعاد لكل منها حجم بيوروبوت من ني-Pدمس و مب-بدمس باستخدام شفرة حلاقة. انظر الشكل 2b-2d لتصاميم القاعدة.
ملاحظة: سمك ني بدمس هو 1.5 ملم و مب-بدمس هو 3.5 ملم. - تنظيف جميع جوانب قواعد بيوروبوت لإزالة أي الملوثات على الأسطح، عن طريق الضغط على قاعدة في الشريط وإزالة. كرر لكل جانب.
- بدوره على مفرغ الاكليل. جلب غيض من الهالة المفرغ 1 سم فوق قاعدة ني بدمس، التي يتم وضعها على لوحة معدنية مع الأنسجة غرف الأبحاث بينهما. حرك طرف حول القاعدة وتستمر لمدة 15 ثانية لعلاج السطح.
ملاحظة: يجب أن يحدث التفريغ بين مفرغ الاكليل والرقاقة. إذا لم يفعل ذلك، وجلب طرف أقرب حتى يحدث التفريغ. - كرر الخطوة 3.3.3 لعلاج سطح قاعدة بيوروبوت محفورة في الخطوة 3.1 لنفس المدة. استخدام ملاقط لوضع الجانب ني-بدمس المعالجة على الجانب المعالج من الفيلم. السماح للجهاز الجلوس لمدة 5 دقائق.
ملاحظة : هذا سترونغلي السندات جزأين. انظر الشكل 1b4 . - استخدام ملاقط حادة لقشر ناتئ بيوروبوت من الرقاقة ووضعه على الجزء السفلي من قاعدة ني بدمس. استخدام ملاقط لإزالة التجمع بأكمله من الرقاقة.
ملاحظة : سيتم إرفاق ناتئ إلى قاعدة ني بدمس. الشكل 1b-5 و b-6 يصور هذا. - وضع قطرة صغيرة من بدمس غير مخزنة (10: 1 قاعدة لعامل علاج) على الجزء العلوي من قاعدة مب-بدمس. استخدام ملاقط لوضع الجانب من ني-بدمس مع بدمس رقيقة على مب-بدمس مع بدمس غير المتضررة. وضع التجمع في طبق بتري البلاستيك، ومن ثم وضع هذا على موقد في 40 درجة مئوية لعلاج بين عشية وضحاها.
ملاحظة: الشكل 1b-7 يصور الجهاز النهائي.
- قطع قواعد بيوروبوت الأبعاد لكل منها حجم بيوروبوت من ني-Pدمس و مب-بدمس باستخدام شفرة حلاقة. انظر الشكل 2b-2d لتصاميم القاعدة.
4. فونكتيوناليزاشيون من الأجهزة
ملاحظة : أدناه، نحن تصف عملية إعداد الأجهزة لبذر الخلية.
- الإعداديةهي المواد المطلوبة: محلول فبرونيكتين (50 ميكروغرام / مل)، محلول ملحي الفوسفات العازلة (بس)، دولبيكو تعديل النسر المتوسطة (دمم) تستكمل مع مصل الجنين 10٪ الجنين (فبس) و 1٪ المضادات الحيوية البنسلين (دمم كاملة).
- وضع 100 ميكرولتر من محلول فبرونيكتين في مركز قارورة الثقافة T-25 (السطح السفلي عندما يجلس قارورة في وضع مستقيم). الحفاظ على قوارير منفصلة لكل جهاز.
- وضع بيوروبوت أو المحرك البيولوجي التي تواجه أسفل على قطرة من حل فبرونيكتين. تأكد من أن ناتئ هو تكشفت ومغمورة داخل الحبرية. احتضان عند 37 ℃ لمدة 30 دقيقة.
- بعد الحضانة، وإزالة الحل فبرونيكتين ويغسل مع برنامج تلفزيوني مرتين.
- إزالة برنامج تلفزيوني وملء قارورة مع 10 مل من دمم. احتضان عند 37 ℃ لمدة 1 ساعة لتسهيل التفريغ من بدمس. لغمر بيوروبوتس في 10 مل من وسائل الإعلام، واستخدام المغناطيس لعقد الجهاز في الجزء السفلي من القارورة. وضع قارورة مع سامبليس في حمام أولتراسونيكاتيون لمدة 5 دقائق لإزالة الفقاعات.
ملاحظة : خلال فترة الحضانة، شكل فقاعات الهواء على سطح بدمس، والذي يشار إليه باسم ديغاسينغ هنا. ني-بدمس المستخدمة في التجمع بيوروبوت المغناطيسي. المحرك البيولوجي لا يحتاج إلى المغناطيس لأنه سيبقى في الجزء السفلي من القارورة بسبب وزن حبة الزجاج. و بيوروبوت أو الجمعية المحرك البيولوجي جاهزة الآن للبذر، وهو ما هو موضح بالتفصيل في الجزء 2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
المحرك البيولوجي والبيوروبوت لديها عمليات تلفيق مماثلة جدا، كما بيوروبوت هو امتداد الطبيعي للمحرك البيولوجي ( الشكل 1 ). وقد تم تطوير المحرك البيولوجي أولا لتأسيس التقنيات اللازمة ل بيوروبوت، لتحليل القوة التي تولدها الخلايا، ولتوصيف نضج الخلية ميكانيكيا والكيمياء الحيوية، وكلاهما يرد وصفها بالتفصيل في الجزء 2 من هذه المادة من جزأين كما في كما هو الحال في أعمالنا التي نشرت مؤخرا 15 .
تم تقييم ثابت الربيع من المحرك وضبطها لتغيير كبير في دائرة نصف قطرها من انحناء ناتئ خلال انكماش كامل من ورقة كارديوميوسيت. ثم، قمنا بتصميم بيوروبوت مع إيلاء اعتبار خاص لاستقرارها، والسيطرة خلال زرع الخلايا، وسهولة التنقل. في البداية، تم اختيار عدد قليل من التصاميم، كما هو مبينفي الشكل 2B-2D ، مع خصائص مختلفة لتقييم أي سمات تسهم أكثر من غيرها لمتطلبات التصميم. تم تصميم بيوروبوتس واختبارها مع قصيرة، طويلة، واسعة الكابولي، وكذلك مع عدة ناتئ لاختبار تأثير التغييرات في المحرك على وظيفة بيوروبوت. كما اعتبرنا أحجام مختلفة من القاعدة العائمة. تم الحفاظ على هندسة القاعدة كمثلث لأنه يخلق عدم التماثل الذي من شأنه أن يؤدي إلى حركة الاتجاه.
وكان استقرار البيوروبوت عنصرا حاسما في عملية التصميم. تم استخدام الطبقة مب-بدمس العلوي لتوفير الطفو للجهاز، في حين تم استخدام طبقة ني بدمس السفلي من أجل الاستقرار والتحكم المغناطيسي. ونظرا لارتفاع الكثافة، فإن طبقة القاعدة المصنوعة من النيكل توفر بيوروبوت القدرة على إبقاء نفسها في وضع مستقيم والعودة إلى موقعها الأصلي بعد التعرض للاضطرابات الخارجية. كما هو مبين في الشكل 3
يمكن أن تصف المعادلة التالية ارتفاع البيوروبوتات فوق سطح المتوسط: 
حيث H ني ، H مب ، ρ المتوسطة ، ρ مب ، و ρ
ولتحديد السماكة الصحيحة لكل طبقة مركبة، تم اختبار نسب خلط مختلفة مع ني-بدمس و مب-بدمس. كان الحد الأقصى والحد الأدنى من الكثافات التي يمكن بسهولة أن تكون مختلطة 0.648 غ / سم 3 ل مب-بدمس و 1.64 غ / سم 3 ل ني-بدمس، كما هو مبين في الشكل 3A . وقد تم تصميم جميع ارتفاعات بيوروبوت بحيث لحظة استعادة بيوروبوت في أي زاوية إمالة تكون قوية بما فيه الكفاية لاعادته الى الوضع الأفقي. تم استخدام شكل ثلاثي للحد من السحب الهيدروديناميكي. وترد الأبعاد النهائية في الشكل 3D . باستخدام البرنامج النصي الكمبيوتر، تم تحليل الثبات عدديا وثبت أن يكون لحظة استعادة قوية باستخدام طريقة ثنائية الطبقات، كما هو مبين في الشكل 3E . انظر جدول المواد والمعلومات الإضافيةn لبرنامج الكمبيوتر المستخدم.
الشكل 1: تدفق العملية لتصنيع المحرك البيولوجي والبيوروبوت. كل رسم يمثل الخطوات في المواد والأساليب في أقسام البروتوكول 2 و 3 للمحرك البيولوجي وتصنيع بيوروبوت. يتم تصنيعها الكابولي بدمس بواسطة سبين طلاء النقش بالليزر. ثم تعلق الكابولي على قاعدة ثابتة مع حبة زجاجية للمحرك البيولوجي ( أ ) أو إلى قاعدة عائمة الاستقرار الذاتي للبايوروبوت ( ب ). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: أبعادوالمحرك البيولوجي والبيوروبوتس التي يتم تصنيعها في هذه الدراسة وملفات كاد للنقش كل من المحرك البيولوجي وأنواع مختلفة من بيوروبوتس. ( أ ) المشغل البيولوجي. ( ب ) بيوروبوت ناتئ مزدوج الذراع. ( ج ) بيوروبوت الكابولي ذو الذراع العريض. ( د ) بيوروبوت واحد الذراع. ( ه ) رسم كاد للمحرك البيولوجي لنقش الليزر. ( و ) رسم كاد من بيوروبوتس لنقش الليزر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: خلط الكثافة ل ني-بدمس و مب-بدمس والاستقرار من بيوروبوتس. ( أ ) نسب الخلط والكثافات الناتجة. ( ب ) الكثافة والهيغهتس من القواعد فيما يتعلق وسائل الإعلام. ( ج ) دوران واستعادة بيوروبوت عندما يميل. عدم الاتساق بين مركز الثقل (سغ) ومركز الطفو (سب) يولد لحظة الدورية. هذه اللحظة إما استعادة بيوروبوت أو يسبب الميل إلى أبعد من ذلك. ( د ) أبعاد بيوروبوت الذراع الواحد في مقياس ملليمتر. ( ه ) تمت محاكاة استعادة القوة من أجل بيوروبوت الذراع الواحد المبين في الجزء (ج) تحت ظروف الميل في (ب) باستخدام طبقتين (ني-بدمس و مب-بدمس) مقابل طبقة واحدة (مب-بدمس). يظهر الرسم البياني أن بيوروبوت واحد طبقة لن يستعيد نفسه إذا كان يميل أكثر من 45 درجة مئوية، في حين أن ثنائي الطبقات بيوروبوت سيكون دائما إيجابية استعادة القوة، والحفاظ على بيوروبوت تستقيم. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ويمكن العثور على آليات التنقل المختلفة بين السباحين المائية 16 . آلية الحركة من بيوروبوت في هذه الدراسة يستخدم الحركة القائمة على الزعانف، وتحديدا الحركة النبضية. أما السباحون النحاسيون، فيدفعون أنفسهم عن طريق رمي الذيل (الكابولي) ووجود جسم صلب (قاعدة الطبقات) 16 . وتستخدم الأسماك مثل أسماك القرش وسمك البقر هذا النوع من الحركة. وعادة ما تكون السباحات القشرية النحاسية بطيئة ولها أبعاد غير فعالة في الجسم. على الرغم من أن السباحة النبضية تفتقر إلى السرعة، وهذا الشكل من السباحة يسمح للمهندسين لتنفيذ وظائف مختلفة (مثل الاستقرار الديناميكي) على قاعدة أو الجسم. ويستند تصميم بيوروبوت وضعت في هذه الدراسة على قاعدة صلبة لتعويم والاستقرار، مع ناتئ ذاتي التشغيل كآلية الدفع. واحدة من أهم الخطوات في تلفيق بيوروبوت في هذه الدراسة هو بدمس رقيقة وعملية النقش بالليزر لتشكيل كانتيرافعة. دون ناتئ نظيف، والمزيج الصحيح من بدمس (للمرونة)، سمك الصحيح (لربيع ثابت) والأبعاد (وجود مساحة كافية لالتصاق متموجة من العضلية لإنتاج الحركة)، فإن بيوروبوت لا تعمل. وعلاوة على ذلك، فمن الضروري أيضا لإزالة جميع الفقاعات من سطح ناتئ من خلال أولتراسونيكاتيون لإنشاء سطح قابل للحياة لمرفق كارديوميوسيت.
المواد المركبة بدمس المتقدمة، مب-بدمس و ني-بدمس يمكن استخدامها للسيطرة على وجه التحديد عمق الغمر ونجاح إنتاج الاستقرار الديناميكي من بيوروبوتس. كثافة كتلة من هذه المواد يمكن ضبطها بدقة، كما هو مبين في الشكل 3A . وعلاوة على ذلك، هذه المواد لا تظهر أي آثار سلبية على نضوج وانكماش العضلية كما بينا في عملنا الأخير 15 . وبالتالي، فإن المواد المتقدمة يمكن استخدامها على نطاق واسع لتنفيذ الذاتي-- استقرار وتطفو ستروكتوره ل بيوروبوتس وغيرها من التطبيقات.
على الرغم من أن البروتوكول الحالي كان قادرا على بناء بيوروبوت السباحة الاستقرار الذاتي، لديها عدد قليل من القيود. أولا، كما هو مقشر ناتئ يدويا من الرقاقة، قد يكون مشوه ناتئ خلال العملية ويتأثر التكرار من أداء بيوروبوت. ويمكن معالجة هذا باستخدام طبقة ذوبان المياه الذائبة بدلا من طبقة مقاومة للضوء، بحيث يمكن إزالة ناتئ بسهولة من الرقاقة. أكبر الكابولي يمكن استخدامها كذلك للحصول على أعلى السلطة. ثانيا، يعتمد الإجراء أساسا على العمليات اليدوية. ويمكن تبسيط إجراءات التصنيع للحصول على كفاءة أعلى. على سبيل المثال، يمكن تعديل عملية التجميع بما في ذلك البذر كارديوميوسيت وذلك لإجراء ذلك على مستوى رقاقة بدلا من مستوى الجهاز الفردي. وأخيرا، شكل قاعدة الثلاثي من بيوروبوت يمكن أن يكون الأمثل لزيادة الاتجاه والاستقرار للسباحة.
<p كلاس = "jove_content"> بيوروبوتس التي تسخر الطاقة الناتجة عن خلايا العضلات الحية هي ذات أهمية كبيرة كبديل للروبوتات الاصطناعية التقليدية تماما. يستخدم هذا البروتوكول الطباعة الحجرية الناعمة وتقنيات ميمس الحيوية لإنتاج الاستقرار الذاتي، بيوروبوت السباحة. ويمكن زيادة تحسين التصميم الخاص. يمكن زيادة كفاءة المحرك عن طريق التلوين محاذاة العظة ل كارديوميوسيتس على سطح ناتئ. وهذا تعزيز التوجه الخلية ويمكن أن تزيد من توليد القوة من كاريوميوكتيز 17 . أبعاد يمكن أيضا أن تكون متنوعة أو متعددة يمكن أن تعلق الأسلحة ناتئ، لزيادة القوة الصافية من تقلصات متزامنة. كما هو موضح سابقا، قاعدة متعددة الطبقات يسمح لخياطة ارتفاع بيوروبوت فوق سطح وسائل الإعلام. هذا يحدد الحد الأقصى الحمل الحمل والاستقرار. وعلاوة على ذلك، يمكننا استبدال أو إضافة مواد موصل إلى ناتئ من أجل fأسيليتات التحفيز الكهربائي. التحفيز الكهربائي يمكن استخدامها للسيطرة على معدل انكماش الخلايا وسرعة بيوروبوتس. ونحن نعتقد أن الطرق المعروضة يمكن استخدامها لتطوير بيوروبوتس عالية الكفاءة لتطبيقات مثل تسليم حزمة صغيرة.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف
Acknowledgments
ويدعم مت هولي من قبل برنامج الزملاء الدراسات العليا من مجلس ولاية لويزيانا من الحكام و C. دانيلسون بدعم من برنامج هوارد هيوز معهد الأساتذة الطبي. ويدعم هذه الدراسة من قبل جبهة الخلاص الوطني منحة رقم: 1530884. ويود المؤلفون أن أشكر دعم غرفة الأبحاث في مركز المجهرية المتقدمة والأجهزة (كامد).
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 |
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).
