Bioengineering

Kardial muskelcellebaseret 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 todelt undersøgelse blev der udviklet en biologisk aktuator ved anvendelse af yderst fleksible polydimethylsiloxan (PDMS) cantilevers og levende muskelceller (cardiomyocytter) og karakteriseret. Den biologiske aktuator blev inkorporeret med en base fremstillet af modificerede PDMS materialer til at opbygge en selvstabiliserende svømningsbiorobot.

Abstract

Biologiske maskiner, der ofte omtales som bioroboter, er levende celler eller vævsbaserede enheder, der udelukkende drives af kontraktile aktiviteter af levende komponenter. På grund af deres iboende fordele er biorobots interesseret som alternativer til traditionelle fuldt kunstige robotter. Forskellige studier har fokuseret på at udnytte biologiske aktørers magt, men kun for nylig har undersøgelser kvantitativt karakteriseret biorobots præstation og studeret deres geometri for at forbedre funktionaliteten og effektiviteten. Her demonstrerer vi udviklingen af en selvstabiliserende svømme biorobot, der kan bevare sin tonehøjde, dybde og rulle uden ekstern indgriben. Designet og fremstillingen af PDMS-stilladset for den biologiske aktuator og biorobot efterfulgt af funktionaliseringen med fibronectin er beskrevet i denne første del. I den anden del af denne todelte artikel beskriver vi inkorporeringen af kardiomyocytter og karakteriserer den biologiske aktuatorAtor og biorobot funktion. Begge har en base og hale (cantilever), der producerer fin-baseret fremdrift. Halen er konstrueret med bløde litografi teknikker ved hjælp af PDMS og lasergravering. Efter inkorporering af halen med enhedsbasen, er den funktionaliseret med et celleklæbende protein og podet sammen med kardiomyocytter. Basen af den biologiske aktuator består af en solid PDMS-blok med en central glasperle (fungerer som vægt). Basen af biorobot består af to kompositte PDMS materialer, Ni-PDMS og microballoon-PDMS (MB-PDMS). Nikkelpulveret (i Ni-PDMS) tillader magnetisk styring af biorobot under cellerne såning og stabilitet under bevægelse. Mikroballoner (i MB-PDMS) reducerer tætheden af MB-PDMS, og gør det muligt for biorobot at flyde og svømme støt. Anvendelsen af disse to materialer med forskellige massetætheder muliggjorde nøjagtig kontrol over vægtfordelingen for at sikre en positiv genopretningskraft ved enhver vinkel af bioroboten. Denne teknikProducerer en magnetisk styret selvstabiliserende svømning biorobot.

Introduction

Biologiske aktuatorer og bioroboter bliver aktivt undersøgt for at give et alternativ til konventionelle robotter til mange anvendelser. Bioroboter, der går ⁵ ^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ , svømmer ¹ ^, ² ^, ³ ^, ⁴ , pumpe ⁹ ^, ¹⁰ eller greb ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ Er allerede blevet udviklet. Tilsvarende kan muskelceller inkorporeres i en 3D-valset PDMS struktur ¹⁴ . Ofte fremstilles biorobot backbones ved hjælp af bløde lithografiteknikker med materialer som hydrogeler og PDMS (polydimethylsiloxan). Disse er attraktive valg på grund af deres fleksibilitet, biocompatibIlity og let justerbar stivhed. Levende muskelceller er normalt indarbejdet med disse materialer for at tilvejebringe kraftgenerering gennem sammentrækning. Mammalske hjerte muskelceller (kardiomyocytter) og skeletmuskelceller er dominerende blevet anvendt til aktivering. Ud over disse to er insektmuskelvæv blevet brugt til at drive bioroboter ved stuetemperatur ³ . I denne todelt undersøgelse blev kardiomyocytter udvalgt på grund af deres spontane sammentrækning ⁶ .

Meget af tidligere forskning på biorobots var fokuseret på at udvikle de biologiske aktuatorer, mens optimering af biorobotarkitekturen og udviklingen af væsentlige funktionaliteter for bioroboterne stort set blev overset. For nylig viste nogle rapporter implementeringen af forskellige svømmemetoder, der var inspireret af fremdriftsformer, der findes i naturen. Disse metoder indarbejder PDMS-film og muskelceller for at efterligne forskellige naturlige fremdriftsmetoder. F.eks. Er flagella-baseret fremdrift ¹ , biomimetisk maneter fremdrift ² , biohybrid stråle ⁴ og tyndfilm PDMS svømningsindretninger ¹³ blevet rapporteret.

I dette papir præsenterer vi fremstillingsprocessen af selvstabiliserende svømningsbiorobotter, som kan opretholde dybdedybden såvel som tonehøjde og rulle. Den biorobot har en solid base eller krop, som drives af en enkelt cantilever med kardiomyocytter fastgjort til dens overflade. Kardiomyocytterne forårsager, at cantileveren bøjer i længderetningen, når de trækker sammen. Denne form for svømning er klassificeret som ostraciiform svømning. Evnen til at tilføje yderligere funktionaliteter på basen er en unik fordel ved ostraciiform svømning. For eksempel kan basen anvendes til at tilvejebringe overskydende opdrift til at bære yderligere cargos eller kontrol kredsløb til kardiomyocyt sammentrækning.

StabilitetAf biorobot blev ofte overset i tidligere studier af bioroboter. I denne undersøgelse implementerede vi selvstabilisering ved at designe basen med forskellige sammensatte PDMS materialer med varierende massetætheder. Bioroboten udviser således modstand mod eksterne forstyrrelser og opretholder sin dybdedybde, tonehøjde og rulle, uden hjælp. Det første lag er microballoon PDMS (MB-PDMS), dvs. PDMS blandet med mikroballoner, hvilket sænker biorobotens tæthed og gør det muligt at flyde i medierne. Det andet lag er PDMS cantilever, og dens tykkelse er skræddersyet således, at kraft fremkaldt af kardiomyocytterne kan dramatisk bøje cantilever fra 45 ° til 90 °. Bundlaget er nikkel-PDMS (Ni-PDMS), dvs. PDMS blandet med nikkelpulver. Dette lag udfører flere funktioner. Det er magnetisk, og tillader derfor, at bioroboten forankres i bunden af mediet under cellesødet med en magnet. Nikkelblandingen har en højere densitet end MB-PDMS ogMedium, og sikret en opretstående position af bioroboten under flytning. Vægten af dette lag genererer et genoprettende moment på bioroboten ved enhver tonehøjde og rulle. Også volumenforholdet mellem Ni-PDMS og MB-PDMS opretholder underdybden. De præsenterede protokoller vil være yderst nyttige for forskere, der er interesseret i at karakterisere slagtekraften i muskelceller og væv, såvel som dem, der ønsker at opbygge svømning af bioroboter.

Såningen af den funktionaliserede biologiske aktuator og biorobotindretninger, den mekaniske og biokemiske karakterisering af cellerne og den kvantitative analyse af enhedsfunktionen er beskrevet detaljeret i del 2 i denne todelt artikel såvel som i det seneste arbejde ¹⁵ .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Beregn masse af PDMS og tilsætningsstoffer

Brug følgende ligning til at finde massen af PDMS, der er nødvendig til bestemte højder i de følgende procedurer,
M = ρ * V = ρ * Højde * Område (1),
Hvor 'Højde' er lagets højde, 'Areal' er området for en beholder, som PDMS'en bliver hærdet i, 'ρ' er blandingens densitet og 'V' er volumenet.
BEMÆRK: Densiteter til højdeberegninger er PDMS = 0,965 g / ml, Ni-PDMS = 1,639 g / ml, MB-PDMS = 0,678 g / ml.
Brug ligning (1) til at estimere den nødvendige PDMS-masse for en given beholder for at opnå en bestemt højde (5 mm) for basen af den biologiske aktuator. Den resulterende tæthed af PDMS er 0,965 g / ml.
BEMÆRK: Forholdet er 10: 1 base til hærdningsmiddel efter vægt.
M _base = ρ * V = ρ * V * ( )(2)
M _{hærdningsmiddel} = p * V = p * V * ( )
Brug ligning (1) for at finde den nødvendige masse af Ni-PDMS til en bestemt beholder for at opnå en bestemt højde (1,5 mm) af bunden af bioroboten.
BEMÆRK: Forholdene er 1: 1,88 (nikkelpulver til PDMS efter vægt) og 1: 1,71: 0,171 (nikkelpulver til PDMS-base til PDMS-hærdemiddel). Den resulterende tæthed af Ni-PDMS vil være 1.639 g / ml.
M _Nikkel = ρ * V = ρ * V * ( ) (3)
M _base = ρ * V = ρ * V * ( )
M _{hærdningsmiddel} = p * V = p * V * ( )
Tilsvarende anvend ligning (1) til f Ind massen af MB-PDMS, der kræves for en given beholder for at opnå en specifik højde (3,5 mm) af biorobotets øverste base.
BEMÆRK: Forholdene er 1: 5 (mikroballoner til PDMS efter vægt) og 1: 4,54: 0,444 (mikroballoner til PDMS base til PDMS hærdemiddel i vægt). Den resulterende tæthed af MB-PDMS vil være 0.648 g / ml.
M _Microballoon = ρ * V = ρ * V * ( ) (4)
M _base = ρ * V = ρ * V * ( )
M _{hærdningsmiddel} = p * V = p * V * ( )
Kontroller den dynamiske stabilitet af biorobot med den ønskede dimension og geometri ved hjælp af analyseskrifterne; Se supplerende oplysninger, 'Biorobot_dynamic_stability.m' og 'CG_CB_calculation.m'.

_title "> 2. Fremstilling af biologiske aktuatorer på en stationær base

BEMÆRK: Se figur 1a.

Spin-coat en tynd film af PDMS (se figur 1a-1 og a2). Tykkelsen af den resulterende PDMS-film vil være 25 μm.
1. Anbring en siliciumskive på en fotoresistspinder og vip pumpeomskifteren for at fremstille sugning.
  BEMÆRK : Silikonepladen har en 4-tommers diameter og 500 μm tykkelse.
2. Hæld positiv fotoresist ( f.eks. S1808) på siliciumskiven, indtil waferen er helt dækket. Program spinneren til at dreje ved 2000 omdr./min. I 20 s. Derefter indgreb spinneren ved at trykke på fodpedalen. Sluk suget efter spinding.
3. Varm en varm plade op til 120 ° C. Brug wafer pincet til at afhente silicium wafer fra spinner og placere silicium wafer direkte på kogepladen. Dæk waferen med et lavt petriskål og bages i 10 minutter.
  BEMÆRK : En ovn kan bruges til baVælg waferen med samme temperatur og varighed. Figur 1a-1 viser denne proces.
4. Placér en plastikbeholder på en vægtskala og nul den ud. Hæld 6 g PDMS base i beholderen og tilsæt 0,6 g PDMS hærdemiddel. Bland PDMS grundigt i 5 minutter.
  BEMÆRK: Efter blanding skal blandingen være sammenfaldende med bobler.
5. Anbring beholderen med blandet PDMS i et vakuumkammer. Reducer trykket fra vakuumkammeret til 100 mbar og lad beholderen stå i kammeret i 30 minutter. Bryd vakuumet, og fjern beholderen. Hold beholderen dækket indtil brug.
6. Placer siliciumpladen med det bagt fotoresistlag på spinneren. Hæld langsomt hele afgasset PDMS-blanding på waferen.
  BEMÆRK: Hæld langsomt, så der ikke introduceres nye bobler i blandingen.
7. Sæt spinderen til 1200 rpm i 5 min. Tænd spinnesugningen og indgreb spinneren. Sluk suget efter spinding.
  BEMÆRK: TDisse indstillinger resulterer i et 25 μm tykt lag af PDMS.
8. Ovnen opvarmes til 40 ° C. Brug wafer pincet til at afhente silicium wafer fra spinner, og sæt det derefter i ovnen. Bages waferen natten over og derefter afkølet waferen ved stuetemperatur.
  BEMÆRK: Figur 1a-2 viser denne proces.
Lasergravering af det tynde film PDMS-lag.
1. Tænd for lasergraverens afbryder og dens udstødning. Tænd computeren, der er tilsluttet lasergraveringen. Åbn lasergraversoftwaren.
2. Under "File" indstillingen åbnes den biologiske aktuator designfil vist i Figur 2e.
  1. Tryk på knappen "Indstillinger". Klik på "Blå" og skift strømindstillingen til 3% og hastigheden til 4%. Klik på "Set". Klik på "Sort" og skift "Mode" for at springe over. Klik derefter på "Set". Gør det samme for "Rød". Tryk på "Apply" knappen for at afslutteIndstillingerne. "
  2. Tryk på knappen "Aktivér graveringen" øverst til højre.
3. Tryk på "Flyt" knappen for at flytte designet ind i midten af softwarens skærm.
4. Tryk på "Focus View" knappen i programmet og klik på kanten af biorobot på skærmen. Dette bevæger lasergraverens vejledende laserpunkt til det tilsvarende punkt.
5. Flyt waferen manuelt med pincet, så punktet på waferen svarende til det punkt, der er klikket i 2.2.4, er direkte under ledende laserpunkt.
6. Tryk på knappen "Start gravering den forudgående job" for at starte graveringsprocessen. Fjern waferen, efter at graveringen er færdig. Sluk alt udstyr.
  BEMÆRK: "Start gravering den forudgående job" -knap er den store grønne trekant. Se ikke direkte på graveringsprocessen, da laseren kan beskadige øjnene. Figur 1a-3 viser denne proces.
7. Forberedelse og fabrikation af den biologiske aktuatorbase.
  1. Hæld glasperler (3 mm diameter) i et 15 ml rør. Sænk perlerne med 70% ethanol i DI vand i 24 timer. Fjern ethanol og fyld røret med DI vand i 24 timer. Hæld DI-vandet, og rør røret på en kogeplade ved 50 ° C for at lette tørringen af glasperlerne.
  2. Tilsæt 3 g til mængden af PDMS fundet i ligning (1) for at tage højde for PDMS'en, der vil holde sig til beholderens sider under hældning. Brug ligning (2) til at finde PDMS base og hærdningsmiddel mængder.
  3. Placér en plastikbeholder på en vægtskala og nul den ud. Hæld mængden af PDMS base fundet i trin 2.3.2 i beholderen og nul den ud. Hæld derefter mængden af PDMS hærdningsmidlet fundet i trin 2.3.2 i beholderen.
  4. Bland PDMS grundigt i 5 minutter.
    BEMÆRK: PDMS anvendes i et forhold på 10: 1 base til hærdningsmiddel. Blandingen skal have mange bobler.
  5. PlacereEn beholder der skal bruges til bagning på en skala og nul ud. Hæld forsigtigt den korrekte mængde PDMS, der blev fundet i trin 2.3.2 (og blandet i trin 2.3.4) i beholderen. Slip rensede glasperler gennem hele PDMS-blandingen med jævne mellemrum. Efterlad mindst 5 mm plads omkring hver perle til den biologiske aktuatorbase.
  6. Anbring beholderen i et vakuumkammer. Reducer vakuumtrykket til 100 mbar og sluk for vakuumpumpen. Efter 30 minutter skal du bryde vakuumet og fjerne beholderen. Opbevares dækket indtil brug.
    BEMÆRK: Trykket i kammeret kan stige langsomt over tid, da blandingen afgasses og vakuumkammeret lækker. Hvis trykket stiger væsentligt over 100 mbar, skal du tænde vakuumpumpen for at genoprette trykket til 100 mbar.
  7. Varm en kogeplade til 40 ° C. Placer beholderen med PDMS og glasperlerne forsigtigt på varmepladen. Dæk beholderen og bage natten over.
8. Biologisk aktuatoraggregat. BEMÆRK: Følgende procedure kan udføres med det blotte øje.
  1. Klipp kuber (5 mm x 5 mm x 5 mm) ud af bulk PDMS lavet i del 2.3 ved hjælp af et barberblad.
    BEMÆRK: En perle skal være i midten af hver terning.
  2. Rengør alle sider af hver biologisk aktuatorbase for at fjerne eventuelle forureninger på basisfladerne ved at trykke bunden ind i båndet og fjerne. Gentag for hver side.
  3. Gentag trin 2.3.2 til 2.3.6 for at lave en lille mængde flydende PDMS. Dip spidsen af en nål i den flydende PDMS. Placer en dråbe af den flydende PDMS på det indgraverede basisareal af waferen mønstret i trin 2.2. Smør dråben af PDMS, så den helt dækker 5 mm x 5 mm basisarealet.
    BEMÆRK: Basisområdet er den midterste firkantede sektion i figur 2a .
  4. Brug pincet til at placere den rensede terning fra trin 2.4.2 på bundområdet, der er dækket af væske PDMS.
  5. Gentag trin 2.4.3 fra "Placer en dråbe flydende PDMS" til eNd og trin 2.4.4 for hver enhed, der vil blive lavet.
  6. Varm en kogeplade til 40 ° C. Sæt forsigtigt siliciumpladen med samlingerne på varmepladen. Dæk waferen og bage natten over.
    BEMÆRK : Opbevar monteringerne indtil brug. Figur 1a-4 viser den endelige indretning.
3. Fremstilling af bioroboter (figur 1b)
1. Spinbelægning og lasergravering en tynd PDMS-film
  1. Gentag alle trin i 2.1 og 2.2 ved hjælp af en ny siliciumskive. Dette vil resultere i en silicium wafer med en tynd film af PDMS og en tynd film af fotoresist, som er indgraveret med en biorobot design.
    BEMÆRK : Brug biorobotdesign til lasergravering, mens du gentager trin 2.2, i stedet for det tidligere anvendte biologiske aktuatordesign. Figur 1b-1 og b-3 viser disse processer.
2. Forberedelse og fremstilling af PDMS composites.
  BEMÆRK : Følgende procedure kan udføres med det blotte øje.
  1. Hæld phenoliske mikroballoner i et 50 ml rør indtil det er fuldt. Fyld røret med 70% ethanol i DI-vand og lad det sidde i 24 timer. Hæld ud etanolen, tilsæt DI vand, og lad den sidde i 24 timer. Hæld DI vandet, og rør derefter røret på en kogeplade ved 50 ° C for at lette tørring af mikroballongerne inden brug.
  2. Brug ligning (1) med MB-PDMS tætheden og 3,5 mm højde for at finde mængden af PDMS påkrævet. Tilsæt 3 g til det samlede beløb for at tage højde for det materiale, der forbliver i beholderen efter hældning. Brug ligning (3) for at finde PDMS base og hærdningsmiddel mængder. Mål den passende mængde PDMS base, hærdemiddel og mikroballoner ved hjælp af skalaen.
  3. Brug ligning (1) med Ni-PDMS tæthed og 1,5 mm højde for at finde den ønskede mængde PDMS. Tilsæt 3 g til det samlede beløb som i trin 3.2.2. Brug ligning (2) for at finde PDMS-basen og hærdning aGent mængder. Mål den passende mængde PDMS base, hærdemiddel og nikkelpulver ved hjælp af skalaen.
  4. Bland hver blanding af MB-PDMS og Ni-PDMS i 5 minutter. Hæld forsigtigt den korrekte mængde MB-PDMS og Ni-PDMS beregnet i 3.2.2 og 3.2.3 i separate beholdere med en skala.
    BEMÆRK : Blandingerne skal blandes grundigt med en metal- eller glasstang uden at ridser bundbeholderens bundflade. Blandingen vil være sammenfaldende med bobler.
  5. Anbring begge beholdere i et vakuumkammer. Reducer dets tryk til 100 mbar i 30 minutter. Bryd vakuumet og fjern beholderne. Opbevares dækket indtil brug.
  6. Varm en kogeplade til 40 ° C. Anbring beholdere med MB-PDMS og Ni-PDMS på varmepladen. Dæk hver beholder og bage natten over.
    BEMÆRK : Opbevar med låg til brug.
3. Biorobot samling.
  1. Skær biorobotbaser af dimensioner til hver biorobotstørrelse fra Ni-PDMS og MB-PDMS ved hjælp af et barberblad. Se figur 2b-2d for basisdesign.
    BEMÆRK: Tykkelsen af Ni-PDMS er 1,5 mm, og den af MB-PDMS er 3,5 mm.
  2. Rengør alle sider af biorobotbasserne for at fjerne eventuelle forurenende stoffer på overfladerne ved at trykke bunden i båndet og fjerne. Gentag for hver side.
  3. Tænd for en coronaudladeren. Tag spidsen af coronaafladeren 1 cm over Ni-PDMS-basen, som er anbragt på en metalplade med et cleanroom væv imellem. Flyt spidsen omkring bunden og fortsæt i 15 s for at behandle overfladen.
    BEMÆRK: Der skal forekomme udladning mellem coronaafladeren og waferen. Hvis det ikke gør det, skal du bringe spidsen tættere, indtil en udledning opstår.
  4. Gentag trin 3.3.3 for at behandle overfladen af bunden af en biorobot indgraveret i trin 3.1 i samme varighed. Brug pincet til at placere den behandlede Ni-PDMS-side på den behandlede side af filmen. Lad enheden sidde i 5 minutter.
    BEMÆRK : Dette vil stronGly bond de to dele. Se figur 1b4 .
  5. Brug skarpe pincet til at skrælle biorobot cantilever fra waferen og læg den på bunden af Ni-PDMS-basen. Brug pincet til at fjerne hele samlingen fra waferen.
    BEMÆRK : Cantilever vil blive fastgjort til Ni-PDMS basen. Figur 1b-5 og b-6 viser dette.
  6. Anbring en lille dråbe uhærdet PDMS (10: 1 base til hærdemiddel) på toppen af MB-PDMS-basen. Brug pincet til at placere siden af Ni-PDMS med den tynde film PDMS på MB-PDMS med uhærdet PDMS. Placer samlingen i en plastisk petriskål, og læg den derefter på en kogeplade ved 40 ° C for at helbrede natten over.
    BEMÆRK: Figur 1b-7 viser den endelige enhed.
4. Funktionalisering af enhederne
BEMÆRK : Nedenfor beskriver vi processen med at forberede enhederne til celledannelse.
1. ForberedEr de krævede materialer: Fibronectin-opløsning (50 μg / ml), phosphatbuffersalinopløsning (PBS), Dulbecco's modificeret Eagle Medium (DMEM) suppleret med 10% føtalt bovint serum (FBS) og 1% Penicillin antibiotikum (DMEM komplet).
2. Placer 100 μl fibronectinopløsning i midten af en T-25 dyrkningskolbe (bundflade, når kolben sidder opret). Opretholde separate kolber for hver enhed.
3. Placer bioroboten eller den biologiske aktuator nedad over dråben af fibronectinopløsning. Sørg for, at cantilever er udfoldet og nedsænket i dråbet. Inkubér ved 37 ° C i 30 minutter.
4. Efter inkubationen fjernes fibronectinopløsningen og vaskes to gange med PBS.
5. Fjern PBS og fyld kolben med 10 ml DMEM. Inkubér ved 37 ° C i 1 time for at lette afgasningen af PDMS. For at nedsænke biorobots i 10 ml medier, brug en magnet til at holde enheden nederst i kolben. Anbring kolben med samPles i et ultralydbad i 5 minutter for at fjerne boblerne.
  BEMÆRK : Under inkubationsperioden dannes luftbobler på PDMS-overfladen, der omtales som afgasning her. Ni-PDMS anvendt i biorobot-samlingen er magnetisk. Den biologiske aktuator behøver ikke en magnet, fordi den forbliver i bunden af kolben på grund af glaspermens vægt. Bioroboten eller den biologiske aktuator er nu klar til såning, som forklares detaljeret i del 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den biologiske aktuator og biorobot har meget lignende fremstillingsprocesser, da biorobot er en naturlig forlængelse af den biologiske aktuator ( figur 1 ). Den biologiske aktuator blev udviklet først for at fastlægge teknikker, der kræves for biorobot, at analysere den kraft, der genereres af cellerne, og at karakterisere cellens modning mekanisk og biokemisk, som begge er beskrevet detaljeret i del 2 i denne todelt artiklen som Såvel som i vores nyligt offentliggjorte arbejde ¹⁵ .

Aktørens fjederkonstant blev vurderet og indstillet til en stor ændring i krumningsradiusens krumningsradius under fuld sammentrækning af kardiomyocytarket. Derefter designede vi biorobotet med særlig hensyntagen til stabilitet, kontrol under cellefræsning og let bevægelse. I starten blev der valgt nogle få mønstre, som vistI figur 2b-2d med forskellige egenskaber for at vurdere hvilke attributter, der bidrager mest til designkravene. Bioroboter blev designet og testet med korte, lange og brede cantilevers samt med flere cantilevers for at teste virkningen af ændringer i aktuatoren på biorobotfunktionen. Vi overvejede også forskellige størrelser af den flydende base. Basisens geometri blev opretholdt som en trekant, da den skaber den asymmetri, der ville resultere i en retningsbevægelse.

Stabiliteten af biorobot var en kritisk komponent i designprocessen. Det øverste MB-PDMS-lag blev anvendt til at tilvejebringe opdrift til anordningen, medens det nederste Ni-PDMS-lag blev anvendt til stabilitet og magnetisk kontrol. På grund af en højere tæthed giver basislaget af nikkel bioroboten evnen til at holde sig oprejst og vende tilbage til sin oprindelige stilling efter eksponering for eksterne forstyrrelser; Vist i figur 3

Følgende ligning kan beskrive biorobots højde over overfladen af mediet:
ligning
Hvor H _Ni , H _Mb , ρ _medium , ρ _Mb og ρ figur 3b ). Biorobots højde er en kritisk faktor, som påvirker den maksimale belastning, den kan bære, og dens stabilitet. Yderligere vægt læsset på bunden sænker biorobots i mediet, og et større volumen af bunden vil blive nedsænket. Det ekstra volumen, der skal nedsænkes, har en tæthed, der er lavere end mediet, og giver ekstra opdrift til at løfte den tilsatte vægt. For at øge den maksimale belastning skal vi derfor øge h så meget som muligt. Ikke desto mindre vil stabiliteten af biorobot blive reduceret, når h stiger. For maksimal stabilitet skal bundens vægtpunkt være så lav som muligt. Imidlertid vil stigende h placere biorobotens centrum tæt på eller over mediet, destabiliserende biorobot. Derfor er det nødvendigt med detaljeret analyseFor at optimere stabiliteten og den maksimale belastning samtidigt før modifikation af biorobotens basisstruktur.

For at bestemme den rigtige tykkelse af hvert kompositlag blev forskellige blandingsforhold testet med Ni-PDMS og MB-PDMS. Maksimale og mindste tætheder, som let kunne blandes, var 0.648 g / cm3 for MB-PDMS og 1,64 g / cm3 for Ni-PDMS som vist i figur 3a . Alle biorobothøjder blev designet således, at genoprettelsesmomentet for en biorobot i en hvilken som helst vippevinkel ville være stærk nok til at bringe den tilbage til vandret position. En trekantet form blev brugt til at reducere hydrodynamisk træk. De endelige dimensioner er vist i figur 3d . Ved hjælp af et computerscript blev stabiliteten numerisk analyseret og vist sig at have et stærkt restaureringsmoment ved anvendelse af tolagsmetoden som vist i figur 3e . Se tabel over materialer og supplerende oplysningerN til det anvendte computerprogram.

figur 1
Figur 1: Processtrøm til fremstilling af den biologiske aktuator og biorobot. Hver tegning repræsenterer trinene i materialer og metoder i protokolafsnit 2 og 3 til biologisk aktuator og biorobotfremstilling. PDMS cantilevers er fremstillet ved spin-coating og lasergravering. Derefter fastgøres cantileverne til en stationær base med en glasperle til den biologiske aktuator ( a ) eller til en selvstabiliserende flydende base til bioroboten ( b ). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2
Figur 2: Dimensioner afDen biologiske aktuator og biorobots, der er fremstillet i denne undersøgelse og CAD-filerne til gravering, både den biologiske aktuator og forskellige typer bioroboter. ( A ) Biologisk aktuator. ( B ) Dobbeltarm cantilever biorobot. ( C ) Brede arm cantilever biorobot. ( D ) Single-arm biorobot. ( E ) CAD tegning af biologisk aktuator til lasergravering. ( F ) CAD tegning af bioroboter til lasergravering. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3
Figur 3: Blandingstætheder for Ni-PDMS og MB-PDMS og stabiliteten af Biorobots. ( A ) Blandingsforhold og resulterende densiteter. ( B ) Tætheder og hælBasen i baserne i forhold til medierne. ( C ) Rotationen og restaureringen af bioroboten, når den vippes. Afvigelsen mellem tyngdepunktet (CG) og centrumet af opdrift (CB) genererer et roterende øjeblik. Dette øjeblik vil enten genoprette biorobot eller få det til at vippe yderligere. ( D ) Dimensionerne af single arm biorobot i millimeter skala. ( E ) Gendannelseskraft blev simuleret for single arm biorobot vist i del (c) under hældningsbetingelser i (b) ved anvendelse af to lag (Ni-PDMS og MB-PDMS) versus enkeltlag (MB-PDMS). Grafen viser, at et biorobot med et enkelt lag ikke vil genoprette sig selv, hvis det hældes over 45 °, mens den dobbeltlagede biorobot altid vil have positiv genopretningskraft og holde bioroboten opret. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Forskellige lokomotionsmekanismer findes blandt akvatiske svømmere ¹⁶ . Biorobotens bevægelsesmekanisme i dette studie anvender finbaseret lokomotion, specielt ostraciiform lokomotion. Ostraciiform svømmere fremdriver sig ved at vække en hale (cantilever) og have en stiv krop (lagdelt base) ¹⁶ . Fisk som boxfish og cowfish bruger denne type lokomotion. Ostraciiform svømmere er typisk langsomt og har ineffektive kropsdimensioner. Selvom ostraciiform svømning mangler hastighed, giver denne form for svømning ingeniører mulighed for at implementere forskellige funktionaliteter (såsom dynamisk stabilitet) på basen eller kroppen. Den biorobot-design, der er udviklet i dette studie, er baseret på en solid base for flydeevne og stabilitet, med en selvaktiverende cantilever som fremdrivningsmekanismen. Et af de vigtigste trin i fremstillingen af biorobot i denne undersøgelse er den tynde film PDMS og lasergraveringsprocessen for at danne cantihåndtag. Uden en ren cantilever, vil den rigtige blanding af PDMS (for elasticitet), korrekt tykkelse (for fjederkonstant) og dimensioner (med tilstrækkelig plads til sammenflydende adhæsion af kardiomyocytter til frembringelse af bevægelse) ikke virke. Desuden er det også nødvendigt at fjerne alle bobler fra den kantløse overflade gennem ultralydbehandling for at skabe en levedygtig overflade til kardiomyocytfastgørelse.

De udviklede PDMS kompositmaterialer, MB-PDMS og Ni-PDMS kan bruges til præcis styring af dybden og med succes at producere biorobots dynamiske stabilitet. Massetætheden af disse materialer kan finjusteres som vist i figur 3a . Endvidere viser disse materialer ikke nogen negative virkninger på modning og sammentrækning af kardiomyocytterne, som vi har vist i vores seneste arbejde ¹⁵ . Derfor kan de udviklede materialer anvendes i vid udstrækning til at implementere en selvstabiliserende og flydende strukturE for biorobots og andre applikationer.

Selv om den nuværende protokol var i stand til at opbygge en selvstabiliserende svømningsbiorobot, har den nogle begrænsninger. For det første, da cantileveren manuelt afskales fra waferen, kan cantileveren deformeres under processen, og gentagelsen af biorobotydelsen påvirkes. Dette kan løses ved at anvende et vandopløsende offerlag i stedet for det fotoresistiske lag, således at cantileveren let kan fjernes fra waferen; Større cantilevers kan også bruges til højere effekt. For det andet er proceduren hovedsagelig afhængig af manuelle operationer. Fremstillingsprocessen kan strømlines for højere effektivitet. For eksempel kan samleprocessen indbefattende kardiomyocytfræsningen modificeres således, at den udfører den på et waferniveau i stedet for individuelt enhedsniveau. Endelig kan formen på den trekantede base af bioroboten optimeres for at øge retningen og stabiliteten af svømning.

<P class = "jove_content"> Bioroboter, der udnytter strømmen fra levende muskelceller, er af stor interesse som et alternativ til traditionelle fuldt kunstige robotter. Denne protokol bruger soft lithography og bio-MEMS teknikker til at producere en selvstabiliserende, svømende biorobot. Det særlige design kan forbedres yderligere. Effektiviteten af aktuatoren kunne forøges ved mønsterjusteringsindikatorer for kardiomyocytterne på den kantløse overflade. Dette vil fremme celleorientering og kan øge kraftproduktionen af cariomyoctyes ¹⁷ . Dimensionerne kunne også varieres, eller flere cantilever arme kunne fastgøres for yderligere at øge nettakraften fra synkroniserede sammentrækninger. Som tidligere beskrevet muliggør flerlagsbasen skræddersyning af biorobotens højde over medieoverfladen. Dette bestemmer den maksimale belastning og stabilitet. Desuden kan vi erstatte eller tilføre ledende materialer til cantilever for at fAcilitere elektrisk stimulering. Elektrisk stimulering kan bruges til at kontrollere cellens sammentrækningshastighed og biorobots hastighed. Vi mener, at de fremlagte metoder kan bruges til at udvikle højeffektive bioroboter til applikationer som f.eks. Små pakker.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre

Acknowledgments

MT Holley støttes af Graduate Fellows-programmet fra Louisiana Board of Regents og C. Danielson støttes af Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Denne undersøgelse støttes af NSF Grant No: 1530884. Forfatterne vil gerne takke støtten fra cleanroom på Center for Advanced Microstructures and Devices (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 muskelcellebaseret 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.