Bioengineering

Actionneur à base de cellules musculaires cardiaques et Biorobot auto-stabilisant - PARTIE 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

Dans cette étude en deux parties, un actionneur biologique a été développé à l'aide de cantilevers de polydiméthylsiloxane (PDMS) hautement flexibles et de cellules musculaires vivantes (cardiomyocytes) et caractérisés. L'actionneur biologique a été incorporé avec une base en matériaux PDMS modifiés pour construire un biorobot auto-stabilisant.

Abstract

Les machines biologiques souvent appelées biorobots sont des appareils à base de cellules ou de tissus qui sont alimentés uniquement par l'activité contractile des composants vivants. En raison de leurs avantages inhérents, les biorobots s'intéressent comme alternatives aux robots traditionnels entièrement artificiels. Diverses études ont porté sur le renforcement de la puissance des actionneurs biologiques, mais seules des études récentes ont caractérisé quantitativement les performances des biorobots et ont étudié leur géométrie pour améliorer leur fonctionnalité et leur efficacité. Ici, nous démontrons le développement d'un biorobot de natation auto-stabilisable qui peut maintenir sa hauteur, sa profondeur et son roulis sans intervention externe. La conception et la fabrication de l'échafaudage PDMS pour l'actionneur biologique et le biorobot suivi de la fonctionnalisation avec fibronectine sont décrits dans cette première partie. Dans la deuxième partie de cet article en deux parties, nous détaillons l'incorporation de cardiomyocytes et caractérisons l'action biologiqueFonction ator et biorobot. Les deux intègrent une base et une queue (en porte-à-faux) qui produisent une propulsion à base d'ailettes. La queue est construite avec des techniques de lithographie douce utilisant PDMS et gravure au laser. Après incorporer la queue avec la base de l'appareil, elle est fonctionnalisée avec une protéine adhésive cellulaire et ensemencée confluée avec des cardiomyocytes. La base de l'actionneur biologique consiste en un bloc PDMS solide avec un cordon de verre central (agit comme un poids). La base du biorobot se compose de deux matériaux composites PDMS, Ni-PDMS et microballoon-PDMS (MB-PDMS). La poudre de nickel (en Ni-PDMS) permet le contrôle magnétique du biorobot lors de l'ensemencement et de la stabilité des cellules pendant la locomotion. Microballoons (dans MB-PDMS) diminuent la densité de MB-PDMS, et permettent au biorobot de flotter et de nager régulièrement. L'utilisation de ces deux matériaux avec différentes densités de masse a permis un contrôle précis de la répartition du poids afin d'assurer une force de restauration positive à n'importe quel angle du biorobot. Cette techniqueProduit un biorobot de natation auto-stabilisable magnétiquement contrôlé.

Introduction

Les actionneurs biologiques et les biorobots sont activement étudiés pour fournir une alternative à la robotique conventionnelle pour de nombreuses applications. Biorobots qui marchent ⁵ ^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ , nage ¹ ^, ² ^, ³ ^, ⁴ , pompe ⁹ ^, ¹⁰ ou grip ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ Ont déjà été développés. De même, les cellules musculaires peuvent être incorporées dans une structure PDMS laminée en 3D ¹⁴ . Souvent, les backbones de biorobot sont fabriqués à l'aide de techniques de lithographie douce avec des matériaux tels que des hydrogels et PDMS (polydiméthylsiloxane). Ce sont des choix attractifs en raison de leur flexibilité, biocompatibEt une rigidité facilement réglable. Les cellules musculaires vivantes sont généralement incorporées à ces matériaux pour fournir une génération de force par contraction. Les cellules musculaires cardiaques de mammifères (cardiomyocytes) et les cellules musculaires squelettiques ont été utilisées de manière dominante pour l'actionnement. En plus de ces deux, les tissus musculaires d'insecte ont été utilisés pour faire fonctionner les biorobots à la température ambiante ³ . Dans cette étude en deux parties, les cardiomyocytes ont été choisis en raison de leur contraction spontanée ⁶ .

Une grande partie des recherches antérieures sur les biorobots a été axée sur le développement des actionneurs biologiques, tandis que l'optimisation de l'architecture de Biorobot et le développement de fonctionnalités essentielles pour les biorobots ont été largement négligés. Récemment, quelques rapports ont démontré la mise en place de différents modes de natation inspirés par les modes de propulsion trouvés dans la nature. Ces méthodes intègrent des films PDMS et des cellules musculaires pour imiter différentes méthodes de propulsion naturelle. Par exemple, la propulsion à base de flagelles ¹ , la propulsion de méduses biomimétiques ² , le rayon bio-hybride ⁴ et les appareils de natation PDMS à couche mince ¹³ ont été rapportés.

Dans cet article, nous présentons le processus de fabrication de biorobots de natation auto-stabilisants qui peuvent maintenir la profondeur d'immersion ainsi que le pitch and roll. Le biorobot a une base ou un corps solide, propulsé par un seul en porte-à-faux avec des cardiomyocytes attachés à sa surface. Les cardiomyocytes font que le porte-à-faux se plie dans une direction longitudinale quand ils se contractent. Cette forme de natation est classée comme natation ostraciiforme. La possibilité d'ajouter des fonctionnalités supplémentaires sur la base est un avantage unique de la natation ostraciiforme. Par exemple, la base peut être utilisée pour fournir une flottabilité excessive pour transporter des cargaisons supplémentaires ou des circuits de contrôle pour la contraction des cardiomyocytes.

La stabilitéDu biorobot était souvent négligé dans les études antérieures de biorobots. Dans cette étude, nous avons mis en place une auto-stabilisation en concevant la base avec différents matériaux PDMS composites de différentes densités de masse. Le biorobot présente donc une résistance aux perturbations externes et maintient sa profondeur de submersion, saut et roulement, sans aide. La première couche est le PDMS microballoon (MB-PDMS), c'est -à- dire le PDMS mélangé avec des microballeurs, ce qui réduit la densité du biorobot, ce qui lui permet de flotter dans les médias. La deuxième couche est le cantilever PDMS, et son épaisseur est adaptée de sorte que la force générée par les cardiomyocytes peut plier considérablement le porte-à-faux de 45 ° à 90 °. La couche inférieure est nickel-PDMS (Ni-PDMS), c'est-à - dire PDMS mélangé avec de la poudre de nickel. Ce calque exécute plusieurs fonctions. Il est magnétique, et permet donc au biorobot d'être ancré au bas du support, lors de l'ensemencement cellulaire, avec un aimant. Le mélange de nickel est d'une densité plus élevée que le MB-PDMS etMoyen, et assurer une position verticale du biorobot en flottant. Le poids de cette couche génère un couple de restauration sur le biorobot à n'importe quel pas et rouleau. En outre, le rapport de volume entre le Ni-PDMS et le MB-PDMS maintient la profondeur de submersion. Les protocoles présentés seraient très utiles pour les chercheurs intéressés à caractériser la force battant des cellules et des tissus musculaires, ainsi que ceux qui souhaitent construire des biorobots de natation.

L'ensemencement de l'actionneur biologique fonctionnalisé et des dispositifs de biorobot, la caractérisation mécanique et biochimique des cellules et l'analyse quantitative de la fonction du dispositif sont décrits en détail dans la partie 2 de cet article en deux parties ainsi que dans les travaux récents ¹⁵ .

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Protocol

1. Calculer la masse du PDMS et des additifs

Utilisez l'équation suivante pour trouver la masse de PDMS nécessaire pour des hauteurs spécifiques dans les procédures suivantes,
M = ρ * V = ρ * Hauteur * Zone (1),
Où 'Height' est la hauteur de la couche, 'Area' est la zone d'un conteneur dans lequel le PDMS sera guéri, 'ρ' est la densité du mélange et 'V' est le volume.
REMARQUE: Les densités pour les calculs de hauteur sont PDMS = 0,965 g / mL, Ni-PDMS = 1,639 g / mL, MB-PDMS = 0,648 g / mL.
Utilisez l'équation (1) pour estimer la masse de PDMS nécessaire, pour un conteneur donné, pour obtenir une hauteur spécifique (5 mm) pour la base de l'actionneur biologique. La densité résultante de PDMS est de 0,965 g / mL.
REMARQUE: Le rapport est de 10: 1 de base pour l'agent de durcissement en poids.
M _base = ρ * V = ρ * V * ( )(2)
M _{agent de durcissement} = ρ * V = ρ * V * ( )
Utilisez l'équation (1) pour trouver la masse de Ni-PDMS nécessaire, pour un contenant donné, pour obtenir une hauteur spécifique (1,5 mm) de la base inférieure du biorobot.
NOTE: Les ratios sont 1: 1.88 (Nickel Powder to PDMS en poids) et 1: 1.71: 0.171 (Nickel Powder to PDMS Base to PDMS agent de durcissement en poids). La densité résultante de Ni-PDMS sera de 1,639 g / mL.
M _Nickel = ρ * V = ρ * V * ( ) (3)
M _base = ρ * V = ρ * V * ( )
M _{agent de durcissement} = ρ * V = ρ * V * ( )
De même, utilisez l'équation (1) à f La masse de MB-PDMS nécessaire, pour un contenant donné, pour obtenir une hauteur spécifique (3,5 mm) de la base supérieure du biorobot.
NOTE: Les rapports sont de 1: 5 (microballoons au PDMS par poids) et 1: 4,54: 0,454 (microbilles à PDMS base à PDMS agent de durcissement en poids). La densité résultante de MB-PDMS sera de 0,648 g / mL.
M _Microballoon = ρ * V = ρ * V * ( ) (4)
M _base = ρ * V = ρ * V * ( )
M _{agent de durcissement} = ρ * V = ρ * V * ( )
Vérifiez la stabilité dynamique du biorobot avec la dimension et la géométrie souhaité en utilisant les scripts d'analyse; Voir les informations complémentaires, 'Biorobot_dynamic_stability.m' et 'CG_CB_calculation.m'.

_title "> 2. Fabrication d'actionneurs biologiques sur une base stationnaire

REMARQUE: voir la figure 1a.

Revêtir un film mince de PDMS (voir les figures 1a-1 et a2). L'épaisseur du film PDMS résultant sera de 25 μm.
1. Placez une plaquette de silicium sur une centrifugeuse à photorésist et tournez le commutateur de pompe pour produire une aspiration.
  REMARQUE : La plaquette de silicium a une épaisseur de 4 pouces et 500 μm.
2. Verser une résine photosensible positive ( par ex. S1808) sur la pastille de silicium jusqu'à ce que la plaquette soit complètement recouverte. Programmer le spinner pour tourner à 2 000 tr / min pendant 20 s. Ensuite, engagez la centrifugeuse en appuyant sur la pédale. Éteignez l'aspiration après la filature.
3. Chauffer une plaque chauffante jusqu'à 120 ° C. Utilisez une pince à épiler pour retirer la plaquette de silicium de la centrifugeuse et placer la plaquette de silicium directement sur la plaque chauffante. Couvrir la plaquette avec une boîte de Petri peu profonde et cuire pendant 10 min.
  REMARQUE : Un four peut être utilisé pour baKe la plaquette en utilisant la même température et la même durée. La figure 1a-1 représente ce processus.
4. Placer un récipient en plastique sur une balance et le fermer. Versez 6 g de base PDMS dans le récipient et ajoutez 0,6 g d'agent de durcissement PDMS. Mélanger complètement le PDMS pendant 5 min.
  REMARQUE: Après le mélange, le mélange doit être conflué avec des bulles.
5. Placez le récipient de PDMS mélangé dans une chambre à vide. Réduisez la pression de la chambre à vide à 100 mbar et laissez le récipient dans la chambre pendant 30 min. Casser le vide et retirer le récipient. Gardez le récipient couvert jusqu'à l'utilisation.
6. Placez la plaquette de silicium avec la couche de photoréserve cuite sur la filière. Verser lentement l'ensemble du mélange PDMS dégazé sur la plaquette.
  REMARQUE: Versez lentement afin d'éviter l'introduction de nouvelles bulles dans le mélange.
7. Réglez la centrifugeuse à 1 200 tr / min pendant 5 min. Activez l'aspiration de la filière et engagez la centrifugeuse. Éteignez l'aspiration après la filature.
  REMARQUE: TCes réglages entraînent une couche de PDMS de 25 μm d'épaisseur.
8. Faire chauffer un four à 40 ° C. Utilisez une pince à épiler pour retirer la plaquette de silicium de la centrifugeuse, puis placez-la dans le four. Faire cuire la gaufrette pendant la nuit, puis refroidir la plaquette à température ambiante.
  REMARQUE: La figure 1a-2 représente ce processus.
Gravure au laser de la couche PDMS à couche mince.
1. Allumez l'interrupteur d'alimentation du graveur laser et son échappement. Allumez l'ordinateur connecté au graveur laser. Ouvrez le logiciel de graveur laser.
2. Sous l'option "Fichier", ouvrez le fichier de conception de l'actionneur biologique illustré à la Figure 2e.
  1. Appuyez sur le bouton "Paramètres". Cliquez sur "Bleu" et modifiez le réglage de puissance à 3% et accélère jusqu'à 4%. Cliquez sur "Set". Cliquez sur "Noir" et modifiez le "Mode" à ignorer. Ensuite, cliquez sur "Set". Faites de même pour "Rouge". Appuyez sur le bouton "Appliquer" pour terminerles paramètres."
  2. Appuyez sur le bouton "Activer le graveur" en haut à droite.
3. Appuyez sur le bouton "Relocate" pour déplacer le design au centre de l'écran du logiciel.
4. Appuyez sur le bouton "Mise au point" du programme et cliquez sur le bord du biorobot sur l'écran. Cela permet de déplacer le point laser de guidage du graveur laser vers le point correspondant.
5. Déplacez la plaquette manuellement avec des pinces, de sorte que le point sur la tranche correspondant au point cliqué en 2.2.4 soit directement sous le point laser de guidage.
6. Appuyez sur le bouton "Démarrer la gravure du travail précédent" pour lancer le processus de gravure. Retirez la plaquette après la fin de la gravure. Éteignez tous les équipements.
  REMARQUE: le bouton "Démarrer la gravure du travail précédent" est le grand triangle vert. Ne regardez pas directement le processus de gravure car le laser peut endommager les yeux. La figure 1a à 3 illustre ce processus.
7. Préparation et fabrication de la base d'actionnement biologique.
  1. Verser des perles de verre (3 mm de diamètre) dans un tube de 15 ml. Immergez les perles avec de l'éthanol à 70% dans de l'eau DI pendant 24 h. Retirer l'éthanol et remplir le tube avec de l'eau DI pendant 24 h. Verser l'eau DI et placer le tube sur une plaque chauffante à 50 ° C pour faciliter le séchage des perles de verre.
  2. Ajouter 3 g à la quantité de PDMS trouvée dans l'équation (1) pour tenir compte du PDMS qui collera aux côtés du récipient lors du versement. Utilisez l'équation (2) pour trouver les montants PDMS et les agents de traitement.
  3. Placer un récipient en plastique sur une balance et le fermer. Versez la quantité de base PDMS trouvée à l'étape 2.3.2 dans le récipient et laissez-la hors tension. Ensuite, versez la quantité d'agent de durcissement PDMS trouvée à l'étape 2.3.2 dans le récipient.
  4. Mélanger complètement le PDMS pendant 5 min.
    REMARQUE: PDMS est utilisé à un ratio de 10: 1 base à agent de durcissement. Le mélange devrait avoir plusieurs bulles.
  5. EndroitUn récipient à utiliser pour la cuisson sur une balance et zéro hors. Déversez soigneusement la quantité correcte de PDMS trouvée à l'étape 2.3.2 (et mélangée à l'étape 2.3.4) dans le récipient. Déposer des billes de verre nettoyées dans tout le mélange PDMS à intervalles réguliers. Laissez un minimum de 5 mm d'espace autour de chaque perle pour la base d'actionneur biologique.
  6. Placez le récipient dans une chambre à vide. Réduisez la pression d'aspiration à 100 mbar et éteignez la pompe à vide. Après 30 minutes, brisez le vide et retirez le récipient. Restez couvert jusqu'à l'utilisation.
    REMARQUE: La pression dans la chambre peut augmenter lentement avec le temps pendant que le mélange dégaze et la chambre à vide fuit. Si la pression augmente sensiblement sur 100 mbar, allumez la pompe à vide pour rétablir la pression à 100 mbar.
  7. Faire chauffer une plaque chauffante à 40 ° C. Placez soigneusement le récipient de PDMS et les billes de verre sur la plaque chauffante. Couvrez le récipient et faites cuire pendant la nuit.
8. Ensemble d'actionneur biologique. REMARQUE: la procédure suivante peut être effectuée à l'œil nu.
  1. Couper les cubes (5 mm x 5 mm x 5 mm) hors du PDMS en vrac fabriqué dans la partie 2.3 à l'aide d'une lame de rasoir.
    REMARQUE: Un cordon doit être au centre de chaque cube.
  2. Nettoyez tous les côtés de chaque base d'actionnement biologique, afin d'éliminer tout contaminant sur les surfaces de base, en appuyant sur la base dans la bande et enlever. Répétez pour chaque côté.
  3. Rétablissez les étapes 2.3.2 à 2.3.6 pour créer une petite quantité de PDMS liquide. Trempez la pointe d'une aiguille dans le PDMS liquide. Placez une goutte du PDMS liquide sur la surface de base gravée de la plaquette représentée à l'étape 2.2. Nettoyer la gouttelette de PDMS afin qu'elle couvre complètement la surface de base de 5 mm x 5 mm.
    REMARQUE: La zone de base est la section du carré central de la figure 2a .
  4. Utilisez une pince à épiler pour placer le cube nettoyé à partir de l'étape 2.4.2 sur la zone de base couverte de PDMS liquide.
  5. Répétez l'étape 2.4.3 de "Placez une goutte de liquide PDMS" à l'eNd et l'étape 2.4.4 pour chaque périphérique qui sera effectué.
  6. Faire chauffer une plaque chauffante à 40 ° C. Placez soigneusement la plaquette de silicium avec les assemblages sur la plaque chauffante. Couvrez la gaufrette et faites cuire pendant la nuit.
    REMARQUE : conservez les assemblages en place jusqu'à l'utilisation. La figure 1a-4 représente le dispositif final.
3. Fabrication de Biorobots (Figure 1b)
1. Revêtement par centrifugation et gravure au laser d'un mince film PDMS
  1. Répétez toutes les étapes de 2.1 et 2.2 en utilisant une nouvelle plaquette de silicium. Cela se traduira par une plaquette de silicium avec un film mince de PDMS et un film mince de la résine photosensible, qui est gravé avec un design biorobot.
    REMARQUE : Lors de la répétition de l'étape 2.2, utilisez la conception de biorobot pour la gravure laser au lieu de la conception d'actionneur biologique précédemment utilisée. Les figures 1b-1 et b-3 représentent ces processus.
2. Préparation et fabrication du compose PDMSdes sites.
  REMARQUE : la procédure suivante peut être effectuée à l'œil nu.
  1. Verser les microbilles phénoliques dans un tube de 50 ml jusqu'à ce qu'elles soient pleines. Remplir le tube avec de l'éthanol à 70% dans de l'eau de DI et laisser reposer pendant 24 h. Verser l'éthanol, ajouter de l'eau DI et laisser reposer pendant 24 h. Verser l'eau DI, puis placer le tube sur une plaque chauffante à 50 ° C pour faciliter le séchage des microballons avant utilisation.
  2. Utilisez l'équation (1) avec la densité MB-PDMS et 3,5 mm de hauteur pour trouver le volume de PDMS requis. Ajouter 3 g au montant total, pour tenir compte du matériel qui restera dans le récipient après le versement. Utilisez l'équation (3) pour trouver la base PDMS et les quantités d'agent de traitement. Mesurez la quantité appropriée de base PDMS, agent de durcissement et microballoons en utilisant la balance.
  3. Utilisez l'équation (1) avec une densité Ni-PDMS et une hauteur de 1,5 mm pour trouver le volume de PDMS requis. Ajouter 3 g au montant total comme à l'étape 3.2.2. Utilisez l'équation (2) pour trouver la base PDMS et guérir unMontants gent. Mesurez la quantité appropriée de base PDMS, agent de durcissement et poudre de nickel à l'aide de la balance.
  4. Mélanger chaque mélange de MB-PDMS et de Ni-PDMS pendant 5 min. Déversez soigneusement la quantité correcte de MB-PDMS et Ni-PDMS calculée en 3.2.2 et 3.2.3 dans des récipients séparés à l'aide d'une échelle.
    REMARQUE : Les mélanges doivent être bien mélangés par une tige en métal ou en verre sans gratter la surface inférieure du récipient de mélange. Le mélange sera confluent avec des bulles.
  5. Placez les deux récipients dans une chambre à vide. Réduisez sa pression à 100 mbar pendant 30 min. Casser le vide et enlever les récipients. Restez couvert jusqu'à l'utilisation.
  6. Faire chauffer une plaque chauffante à 40 ° C. Placez les conteneurs avec MB-PDMS et Ni-PDMS sur la plaque chauffante. Couvrez chaque récipient et faites cuire pendant la nuit.
    REMARQUE : conserver avec un couvercle jusqu'à l'utilisation.
3. Ensemble Biorobot.
  1. Couper les bases de biorobot des dimensions respectives à chaque taille de biorobot de Ni-PDMS et MB-PDMS à l'aide d'une lame de rasoir. Voir la figure 2b-2d pour les modèles de base.
    REMARQUE: les épaisseurs de Ni-PDMS sont de 1,5 mm et celle de MB-PDMS est de 3,5 mm.
  2. Nettoyez tous les côtés des bases de biorobot pour éliminer tout contaminant sur les surfaces, en appuyant sur la base dans la bande et en enlevant. Répétez pour chaque côté.
  3. Allumez un déchargeur corona. Apportez la pointe du déchargeur corona 1 cm au-dessus de la base Ni-PDMS, qui est placé sur une plaque métallique avec un tissu de salle blanche entre les deux. Déplacez la pointe autour de la base et continuez pendant 15 s pour traiter la surface.
    REMARQUE: Une décharge doit se produire entre le déchargeur corona et la plaquette. Si ce n'est pas le cas, rapprochez le bout jusqu'à ce qu'une décharge se produise.
  4. Répétez l'étape 3.3.3 pour traiter la surface de la base d'un biorobot gravé à l'étape 3.1 pendant la même durée. Utilisez des pinces pour placer le côté traité au Ni-PDMS sur le côté traité du film. Laissez l'appareil reposer pendant 5 min.
    REMARQUE : cela va durerGlisser les deux parties. Voir la figure 1b4 .
  5. Utilisez des pinces pointues pour éplucher le cantilever Biorobot de la plaquette et placez-la au bas de la base Ni-PDMS. Utilisez une pince à épiler pour enlever l'ensemble de la plaquette.
    REMARQUE : Le cantilever sera attaché à la base Ni-PDMS. La figure 1b-5 et b-6 le dépeint.
  6. Placez une petite goutte de PDMS non durci (base 10: 1 pour agent de durcissement) sur le dessus de la base MB-PDMS. Utilisez des pinces pour placer le côté du Ni-PDMS avec le film mince PDMS sur le MB-PDMS avec le PDMS non duré. Placez l'assemblage dans une boîte en Petri en plastique, puis placez-la sur une plaque chauffante à 40 ° C pour la cuire toute la nuit.
    REMARQUE: la figure 1b-7 représente l'appareil final.
4. Fonctionnalisation des appareils
REMARQUE : ci-dessous, nous décrivons le processus de préparation des dispositifs d'ensemencement cellulaire.
1. PréparationSont les matériaux requis: solution de fibronectine (50 μg / mL), solution saline tampon phosphate (PBS), milieu Eagle modifié de Dulbecco (DMEM) additionné de 10% de sérum bovin fœtal (FBS) et 1% d'antibiotique pénicilline (DMEM complet).
2. Placer 100 μL de solution de fibronectine au centre d'un flacon de culture T-25 (surface inférieure lorsque le flacon est assis en position verticale). Maintenir des flacons séparés pour chaque appareil.
3. Placez le biorobot ou l'actionneur biologique vers le bas sur la gouttelette de la solution de fibronectine. Assurez-vous que le porte-à-faux est déplié et immergé dans la gouttelette. Incuber à 37 ° C pendant 30 min.
4. Après l'incubation, retirer la solution de fibronectine et laver avec PBS deux fois.
5. Retirer le PBS et remplir le flacon avec 10 mL de DMEM. Incuber à 37 ℃ pendant 1 h pour faciliter le dégazage du PDMS. Pour immerger les biorobots dans 10 mL de milieu, utilisez un aimant pour maintenir l'appareil au fond de la fiole. Placez le flacon avec le samDans un bain d'ultrasons pendant 5 min pour éliminer les bulles.
  REMARQUE : Pendant la période d'incubation, des bulles d'air se forment sur la surface PDMS, appelée dégazage ici. Le Ni-PDMS utilisé dans l'assemblage de biorobot est magnétique. L'actionneur biologique n'a pas besoin d'un aimant car il restera au fond du ballon en raison du poids du cordon de verre. Le biorobot ou l'ensemble d'actionneur biologique est maintenant prêt à être ensemencé, ce qui est expliqué en détail dans la partie 2.

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Representative Results

L'actionneur biologique et le biorobot ont des processus de fabrication très similaires, car le biorobot est une extension naturelle de l'actionneur biologique ( Figure 1 ). L'actionneur biologique a été développé d'abord pour établir les techniques requises pour le biorobot, analyser la force générée par les cellules et caractériser la maturation cellulaire mécaniquement et biochimiquement, qui sont décrits en détail dans la partie 2 de cet article en deux parties Ainsi que dans nos travaux publiés récemment ¹⁵ .

La constante de ressort de l'actionneur a été évaluée et accordée pour une grande variation de rayon de courbure du porte-à-faux lors de la contraction complète de la feuille de cardiomyocytes. Ensuite, nous avons conçu le biorobot tout en accordant une attention particulière à sa stabilité, son contrôle pendant l'ensemencement cellulaire et la facilité de la locomotion. Initialement, quelques modèles ont été choisis, comme le montreDans la figure 2b-2d , avec différentes propriétés pour évaluer quels attributs contribuent le plus aux exigences de conception. Les Biorobots ont été conçus et testés avec des cantilevers courts, longs et larges, ainsi qu'avec plusieurs cantilevers pour tester l'effet des changements dans l'actionneur sur la fonction biorobot. Nous avons également considéré différentes tailles de la base flottante. La géométrie de la base a été maintenue comme un triangle car elle crée l'asymétrie qui entraînerait un mouvement directionnel.

La stabilité du biorobot était une composante essentielle du processus de conception. La couche MB-PDMS supérieure a été utilisée pour fournir une flottabilité à l'appareil, tandis que la couche Ni-PDMS inférieure a été utilisée pour la stabilité et le contrôle magnétique. En raison d'une densité plus élevée, la couche de base en nickel permet au biorobot de se maintenir debout et de revenir à sa position d'origine après exposition à des perturbations externes; Montré à la figure 3

L'équation suivante peut décrire la hauteur des biorobots au-dessus de la surface du milieu:

Où H _Ni , H _Mb , ρ _moyen , ρ _Mb et ρ figure 3b ). La hauteur des biorobots est un facteur critique qui affecte la charge maximale qu'il peut transporter et sa stabilité. Le poids supplémentaire chargé sur la base abaissera les biorobots dans le support et un volume plus important de la base sera submergé. Le volume supplémentaire à submerger a une densité inférieure à celle du milieu et produit une flottabilité supplémentaire pour augmenter le poids ajouté. Par conséquent, pour augmenter la charge maximale, nous devons augmenter autant que possible. Néanmoins, la stabilité du biorobot sera diminuée lorsque h augmente. Pour une stabilité maximale, le centre de poids de la base doit être aussi bas que possible. Cependant, augmenter h mettrait le centre de poids du biorobot près ou au-dessus du milieu, ce qui déstabilisait le biorobot. Par conséquent, une analyse détaillée est requisePour optimiser la stabilité et la charge maximale de transport simultanément avant de modifier la structure de base du biorobot.

Pour déterminer l'épaisseur correcte de chaque couche composite, divers rapports de mélange ont été testés avec Ni-PDMS et MB-PDMS. Les densités maximales et minimales pouvant être facilement mélangées étaient de 0,648 g / cm ³ pour MB-PDMS et de 1,64 g / cm ³ pour Ni-PDMS, comme le montre la figure 3a . Toutes les hauteurs de biorobot ont été conçues de sorte que le moment de restauration d'un biorobot à n'importe quel angle de basculement soit suffisamment fort pour le ramener à la position horizontale. Une forme triangulaire a été utilisée pour réduire la traînée hydrodynamique. Les dimensions finales sont présentées dans la figure 3d . À l'aide d'un script informatique, la stabilité a été analysée numériquement et prouvé avoir un moment de restauration fort en utilisant la méthode à deux couches, comme le montre la figure 3e . Voir le tableau des documents et les informations complémentairesN pour le programme informatique utilisé.

Figure 1: Flux de processus pour la fabrication de l'actionneur biologique et Biorobot. Chaque dessin représente les étapes dans les matériaux et les méthodes dans les sections de protocole 2 et 3 pour l'actionnement biologique et la fabrication de biorobot. Les cantilevers PDMS sont fabriqués par centrifugation et gravure au laser. Ensuite, les cantilevers sont attachés à une base fixe avec un cordon de verre pour l'actionneur biologique ( a ) ou à une base flottante auto-stabilisante pour le biorobot ( b ). Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2: Dimensions deL'actionneur biologique et les Biorobots qui sont fabriqués dans cette étude et les fichiers CAO pour la gravure à la fois l'actionneur biologique et divers types de Biorobots. (A) Actionneur biologique. ( B ) biorobot en porte-à-faux à bras double. ( C ) Biorobot en porte-à-faux à bras large. ( D ) Biorobot à bras simple. ( E ) Dessin CAO de l'actionneur biologique pour la gravure au laser. ( F ) Dessin CAO de biorobots pour la gravure au laser. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3: Densités de mélange pour Ni-PDMS et MB-PDMS et Stabilité des Biorobots. (A) Ratios de mélange et densités résultantes. ( B ) Les densités et les contraintesSes bases sur les médias. ( C ) La rotation et la restauration du biorobot lors de l'inclinaison. Le désalignement entre le centre de gravité (CG) et le centre de la flottabilité (CB) génère un moment de rotation. Ce moment permettra soit de restaurer le biorobot, soit de l'incliner davantage. ( D ) Les dimensions du biorobot à bras simple en échelle millimétrique. ( E ) La force de restauration a été simulée pour le biorobot à bras simple montré dans la partie (c) sous les conditions d'inclinaison en (b) en utilisant deux couches (Ni-PDMS et MB-PDMS) par rapport à une seule couche (MB-PDMS). Le graphique montre qu'un biorobot à une seule couche ne se restaurera pas s'il est incliné sur 45 °, alors que le biorobot à double couche aura toujours une force de restauration positive, en gardant le biorobot droit. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Discussion

Différents mécanismes de locomotion se retrouvent parmi les nageurs aquatiques ¹⁶ . Le mécanisme de locomotion du biorobot dans cette étude utilise la locomotion à base d'aileron, en particulier la locomotion ostraciiforme. Les nageurs ostraciiformes se propulsent en agitant une queue (en porte-à-faux) et ayant un corps rigide (base en couches) ¹⁶ . Les poissons tels que le poisson-cacao et le poisson sauvage utilisent ce type de locomotion. Les nageurs ostraciiformes sont généralement lents et ont des dimensions corporelles inefficaces. Bien que la natation ostraciiforme manque de vitesse, cette forme de natation permet aux ingénieurs d'implémenter diverses fonctionnalités (telles que la stabilité dynamique) sur la base ou le corps. La conception de biorobot développée dans cette étude est basée sur une base solide pour la flottaison et la stabilité, avec un cantilever auto-actionnant comme mécanisme de propulsion. L'une des étapes les plus importantes dans la fabrication du biorobot dans cette étude est le film mince PDMS et le processus de gravure au laser pour former le cantilevier. Sans un porte-à-faux propre, le bon mélange de PDMS (pour l'élasticité), l'épaisseur correcte (pour la constante du ressort) et les dimensions (ayant une surface suffisante pour l'adhérence confluente des cardiomyocytes pour produire un mouvement), le biorobot ne fonctionnera pas. De plus, il est également nécessaire d'éliminer toutes les bulles de la surface en porte-à-faux par ultrasons pour créer une surface viable pour la fixation des cardiomyocytes.

Les matériaux composites PDMS développés, MB-PDMS et Ni-PDMS peuvent être utilisés pour contrôler précisément la profondeur de submersion et produire avec succès la stabilité dynamique des biorobots. La densité de masse de ces matériaux peut être affinée, comme le montre la figure 3a . En outre, ces matériaux ne présentent aucun effet négatif sur la maturation et la contraction des cardiomyocytes comme nous l'avons montré dans nos travaux récents ¹⁵ . Par conséquent, les matériaux développés peuvent être largement utilisés pour implémenter une structure auto stabilisante et flottanteE pour les biorobots et autres applications.

Bien que le protocole actuel ait pu construire un biorobot de stabilisation auto-stabilisante, il présente quelques limitations. Tout d'abord, comme le porte-à-faux est enlevé manuellement de la plaquette, le porte-à-faux peut être déformé pendant le processus et la répétabilité de la performance du biorobot est affectée. Cela peut être résolu en utilisant une couche de sacrifice dissolvant l'eau au lieu de la couche de photorésist, de sorte que le porte-à-faux peut facilement être retiré de la plaquette; Des cantilevers plus grands peuvent être utilisés aussi bien pour une puissance plus élevée. Deuxièmement, la procédure repose principalement sur les opérations manuelles. La procédure de fabrication peut être simplifiée pour une efficacité accrue. Par exemple, le processus d'assemblage, y compris l'ensemencement des cardiomyocytes, peut être modifié de manière à le conduire à un niveau de plaquette au lieu du niveau individuel de l'appareil. Enfin, la forme de la base triangulaire du biorobot peut être optimisée pour augmenter la directionnalité et la stabilité de la natation.

<P class = "jove_content"> Les Biorobots qui exploitent la puissance générée par les cellules musculaires vivantes présentent un intérêt considérable en alternative aux robots traditionnels entièrement artificiels. Ce protocole utilise des techniques de lithographie douce et de bio-MEMS pour produire un biorobot auto-stabilisant. Le design particulier peut être affiné. L'efficacité de l'actionneur pourrait être augmentée en formant des repères d'alignement pour les cardiomyocytes sur la surface en porte-à-faux. Cela favorise l'orientation des cellules et peut augmenter la génération de force des cariomyoctyes ¹⁷ . Les dimensions pourraient également être variées ou des bras en porte-à-faux multiples pourraient être attachés, afin d'augmenter encore la force nette des contractions synchronisées. Comme décrit précédemment, la base de couches multiples permet de personnaliser la hauteur du biorobot au-dessus de la surface du support. Cela détermine la charge maximale et la stabilité. En outre, nous pouvons substituer ou ajouter des matériaux conducteurs au porte-à-faux afin deAciliser la stimulation électrique. La stimulation électrique peut être utilisée pour contrôler le taux de contraction des cellules et la vitesse des biorobots. Nous croyons que les méthodes présentées peuvent être utilisées pour développer des biorobots hautement efficaces pour des applications telles que la livraison de petits colis.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler

Acknowledgments

MT Holley est soutenu par le programme Graduate Fellows du Louisiana Board of Regents et C. Danielson est soutenu par Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Cette étude est soutenue par NSF Grant No: 1530884. Les auteurs souhaitent remercier le soutien de la salle blanche au 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

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References

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Bioengineering

Actionneur à base de cellules musculaires cardiaques et Biorobot auto-stabilisant - PARTIE 1

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

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