Kardial muskelcellebasert aktuator og selvstabiliserende biorobot - DEL 1
Summary
I denne todelte studien ble en biologisk aktuator utviklet ved bruk av svært fleksible polydimetylsiloksan (PDMS) cantilevers og levende muskelceller (kardiomyocytter) og karakterisert. Den biologiske aktuatoren ble innlemmet med en base laget av modifiserte PDMS-materialer for å bygge en selvstabiliserende, svømmende biorobot.
Abstract
Biologiske maskiner som ofte refereres til som bioroboter, er levende celle- eller vevsbaserte enheter som drev utelukkende av kontraktile aktiviteten til levende komponenter. På grunn av deres iboende fordeler, blir biorobots interessert som alternativer til tradisjonelle helt kunstige roboter. Ulike studier har fokusert på å utnytte kraften til biologiske aktuatorer, men bare nylig har studier kvantitativt preget biorobots ytelse og studert geometrien for å forbedre funksjonaliteten og effektiviteten. Her demonstrerer vi utviklingen av en selvstabiliserende svømmebiorobot som kan opprettholde sin tonehøyde, dybde og rulle uten ekstern inngrep. Design og fabrikasjon av PDMS-stillaset for den biologiske aktuatoren og bioroboten etterfulgt av funksjonaliseringen med fibronektin er beskrevet i denne første del. I den andre delen av denne todelte artikkelen beskriver vi innlemmelsen av kardiomyocytter og karakteriserer den biologiske aktuatorenAtor og biorobot funksjon. Begge har en base og hale (cantilever) som produserer fin-basert fremdrift. Halen er konstruert med myke litografi teknikker ved hjelp av PDMS og lasergravering. Etter å ha inkorporert halen med enhetsbunnen, er den funksjonalisert med et celleklæbende protein og sådd sammen med kardiomyocytter. Basen av den biologiske aktuatoren består av en solid PDMS blokk med en sentral glassperle (fungerer som en vekt). Basen av bioroboten består av to kompositte PDMS-materialer, Ni-PDMS og mikroballong-PDMS (MB-PDMS). Nikkelpulveret (i Ni-PDMS) tillater magnetisk kontroll av bioroboten under cellene seeding og stabilitet under lokomotion. Mikroballonger (i MB-PDMS) reduserer tettheten av MB-PDMS, og gjør at bioroboten kan flyte og svømme jevnt. Bruken av disse to materialene med forskjellige massetettheter muliggjorde nøyaktig kontroll over vektfordelingen for å sikre en positiv gjenopprettingsstyrke i en hvilken som helst vinkel på bioroboten. Denne teknikkenProduserer en magnetisk kontrollert selvstabiliserende svømmebiorobot.
Introduction
Biologiske aktuatorer og bioroboter blir aktivt studert for å gi et alternativ til konvensjonell robotteknikk for mange applikasjoner. Bioroboter som går 5 , 6 , 7 , 8 , svømmer 1 , 2 , 3 , 4 , pumpe 9 , 10 eller grep 11 , 12 , 13 Har allerede blitt utviklet. På samme måte kan muskelceller innlemmes i en 3D-valset PDMS struktur 14 . Ofte blir biorobot-ryggbenet produsert ved hjelp av myke litografiteknikker med materialer som hydrogeler og PDMS (polydimetylsiloksan). Disse er attraktive valg på grunn av deres fleksibilitet, biokompatibeltIlity, og lett justerbar stivhet. Levende muskelceller er vanligvis innlemmet med disse materialene for å gi kraftgenerering gjennom sammentrekning. Mammalske hjerte muskelceller (kardiomyocytter) og skjelettmuskelceller har dominerende vært brukt til aktivering. Foruten disse to har insektmuskulaturvev vært brukt til å betjene bioroboter ved romtemperatur 3 . I denne todelte studien ble kardiomyocytter valgt på grunn av deres spontane sammentrekning 6 .
Mye av tidligere forskning på bioroboter var fokusert på å utvikle de biologiske aktuatorene, mens optimalisering av biorobotarkitekturen og utviklingen av essensielle funksjonaliteter for biorobotene i stor grad ble forsømt. Nylig viste noen rapporter implementeringen av forskjellige svømmemoduser som ble inspirert av fremdriftsmoduser som finnes i naturen. Disse metodene inneholder PDMS-filmer og muskelceller for å etterligne ulike naturlige fremdriftsmetoder. For eksempel er flagella-basert fremdrift 1 , biomimetisk maneter fremdrift 2 , bio-hybrid stråle 4 og tynnfilm PDMS svømming enheter 13 blitt rapportert.
I dette papiret presenterer vi produksjonsprosessen av selvstabiliserende svømmebioroboter som kan opprettholde nedsenkingens dybde samt pitch og roll. Den biorobot har en solid base eller kropp, som drives av en enkelt cantilever med kardiomyocytter festet til overflaten. Kardiomyocytter forårsaker at cantileveren bøyer i langsgående retning når de trekkes sammen. Denne form for svømming er klassifisert som ostraciiform svømming. Evnen til å legge til flere funksjoner på basen er en unik fordel ved ostraciiform svømming. For eksempel kan basen benyttes for å gi overflødig oppdrift for å bære ytterligere cargos eller styrekretser for kardiomyocyt-sammentrekning.
StabilitetAv bioroboten ble ofte oversett i tidligere studier av bioroboter. I denne studien implementerte vi selvstabilisering ved å designe basen med forskjellige sammensatte PDMS-materialer med varierende massetettheter. Bioroboten viser således motstand mot ytre forstyrrelser og opprettholder sin dybdedybde, tonehøyde og rulle, uten hjelp. Det første laget er microballoon PDMS (MB-PDMS), det vil si PDMS blandet med mikroballonger, noe som reduserer biorobotens tetthet, slik at det kan flyte i media. Det andre laget er PDMS cantilever, og dens tykkelse er skreddersydd slik at kraft generert av kardiomyocytter kan dramatisk bøye cantilever fra 45 ° til 90 °. Bunnlaget er nikkel PDMS (Ni-PDMS), dvs. PDMS blandet med nikkelpulver. Dette laget utfører flere funksjoner. Det er magnetisk, og tillater derfor at bioroboten blir forankret på bunnen av mediet, under cellesøing, med en magnet. Nikkelblandingen har høyere tetthet enn MB-PDMS ogMedium, og sørg for en oppreist posisjon av bioroboten mens du flyter. Vekten av dette laget genererer et gjenopprettingsmoment på bioroboten ved enhver tone og rulle. Også volumforholdet mellom Ni-PDMS og MB-PDMS opprettholder nedsenkningsdybden. De presenterte protokollene vil være svært nyttige for forskere som er interessert i å karakterisere slagkraften til muskelceller og vev, samt de som ønsker å bygge svømmende bioroboter.
Såningen av den funksjonaliserte biologiske aktuatoren og biorobot-enheter, den mekaniske og biokjemiske karakterisering av cellene og den kvantitative analysen av enhetsfunksjonen er beskrevet i detalj i del 2 i denne todelt artikkelen, så vel som i det nylig arbeid 15 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Ulike bevegelsesmekanismer finnes blant akvatiske svømmere 16 . Biorobotens fremdriftsmekanisme i denne studien bruker finbasert lokomotion, spesielt ostraciiform lokomotion. Ostraciiform svømmere driver seg ved å vri en hale (cantilever) og ha en stiv kropp (lagdelt base) 16 . Fisk som boxfish og cowfish bruker denne typen lokomotiv. Ostraciiform svømmere er vanligvis sakte og har ineffektive kroppsdimensjoner. Selv om ostraciiform svømming mangler hastighet, tillate…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MT Holley støttes av Graduate Fellows programmet fra Louisiana Board of Regents og C. Danielson støttes av Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Denne studien støttes av NSF Grant No: 1530884. Forfatterne ønsker å takke støtten til cleanroom ved Senter for avanserte mikrostrukturer og enheter (CAMD).
Materials
| 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).
