Kardial muskelcellebaseret aktuator og selvstabiliserende biorobot - DEL 1
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 .
Protocol
Representative Results
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 h…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 10W, 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 1.9L | 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, e. l. 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).
