Summary
Neste estudo de duas partes, um atuador biológico foi desenvolvido usando cantilevers de polidimetilsiloxano altamente flexíveis (PDMS) e células musculares vivas (cardiomiócitos) e caracterizados. O atuador biológico foi incorporado com uma base feita de materiais PDMS modificados para construir um biorobot de auto-estabilização e natação.
Abstract
As máquinas biológicas, muitas vezes referidas como biorobots, são dispositivos vivos de células ou de tecido que são alimentados unicamente pela atividade contrátil de componentes vivos. Devido às suas vantagens inerentes, os biorobots estão ganhando interesse como alternativas aos robôs tradicionais totalmente artificiais. Vários estudos se concentraram no aproveitamento do poder dos atuadores biológicos, mas apenas estudos recentemente caracterizaram quantitativamente o desempenho de biorobots e estudaram sua geometria para melhorar a funcionalidade e a eficiência. Aqui, demonstramos o desenvolvimento de um biorobot de natação auto-estabilizador que pode manter seu tom, profundidade e rolo sem intervenção externa. O projeto e fabricação do andaime PDMS para o atuador biológico e biorobot seguido pela funcionalização com fibronectina é descrito nesta primeira parte. Na segunda parte deste artigo em duas partes, detalhamos a incorporação de cardiomiócitos e caracterizamos a actualização biológica.Função ator e biorobot. Ambos incorporam uma base e uma cauda (cantilever) que produzem propulsão baseada em aletas. A cauda é construída com técnicas de litografia suave usando PDMS e gravura a laser. Depois de incorporar a cauda com a base do dispositivo, é funcionalizada com uma proteína adesiva celular e semeada confluentemente com cardiomiócitos. A base do atuador biológico consiste em um bloco sólido de PDMS com um grânulo de vidro central (atua como um peso). A base do biorobot consiste em dois materiais PDMS compostos, Ni-PDMS e microballoon-PDMS (MB-PDMS). O pó de níquel (em Ni-PDMS) permite o controle magnético do biorobot durante a semeadura e estabilidade das células durante a locomoção. Microballoons (em MB-PDMS) diminuem a densidade de MB-PDMS, e permitem que o biorobot flutue e dê um salto constante. O uso desses dois materiais com diferentes densidades de massa permitiu um controle preciso sobre a distribuição do peso para garantir uma força de restauração positiva em qualquer ângulo do biorobot. Esta técnicaProduz um biorobot de natação auto-estabilizável controlado magneticamente.
Introduction
Atuadores biológicos e biorobots estão sendo ativamente estudados para fornecer uma alternativa à robótica convencional para inúmeras aplicações. Biorobots que caminham 5 , 6 , 7 , 8 , nadam 1 , 2 , 3 , 4 , bomba 9 , 10 ou aderência 11 , 12 , 13 Já foram desenvolvidos. Do mesmo modo, as células musculares podem ser incorporadas em uma estrutura 3D PDMS rolada 14 . Muitas vezes, os backbones de biorobot são fabricados usando técnicas de litografia suave com materiais como hidrogéis e PDMS (polidimetilsiloxano). Estas são escolhas atraentes devido à sua flexibilidade, biocompatibilidadeE rigidez facilmente ajustável. As células musculares vivas geralmente são incorporadas com esses materiais para fornecer geração de força através da contração. As células do músculo cardíaco de mamífero (cardiomiócitos) e as células musculares esqueléticas têm sido usadas predominantemente para atuação. Além desses dois, os tecidos musculares de insetos foram usados para operar biorobots à temperatura ambiente 3 . Neste estudo de duas partes, cardiomiócitos foram escolhidos por causa de sua contração espontânea 6 .
Grande parte das pesquisas anteriores sobre biorobots foi focada no desenvolvimento dos atuadores biológicos, enquanto a otimização da arquitetura biorobot e o desenvolvimento de funcionalidades essenciais para os biorobots foram largamente negligenciados. Recentemente, alguns relatórios demonstraram a implementação de diferentes modos de natação inspirados nos modos de propulsão encontrados na natureza. Esses métodos incorporam filmes PDMS e células musculares para imitar vários métodos de propulsão natural. Por exemplo, a propulsão à base de flagelos 1 , a propulsão de medusa biomimética 2 , o raio bio-híbrido 4 e os dispositivos de natação PDMS de película fina 13 foram relatados.
Neste artigo, apresentamos o processo de fabricação de biorobots de natação auto-estabilizáveis que podem manter a profundidade de imersão, bem como o passo e o rolo. O biorobot tem uma base ou corpo sólido, que é impulsionado por um único cantilever com cardiomiócitos anexados à sua superfície. Os cardiomiócitos fazem com que o cantilever se dobre em direção longitudinal quando se contraem. Esta forma de natação é classificada como natação ostraciiforme. A capacidade de adicionar funcionalidades adicionais na base é uma vantagem única da natação ostraciiforme. Por exemplo, a base pode ser utilizada para fornecer o excesso de flutuabilidade para transportar cargas adicionais ou circuitos de controle para a contração de cardiomiócitos.
EstabilidadeDo biorobot foi muitas vezes ignorado em estudos anteriores de biorobots. Neste estudo, implementamos a auto-estabilização ao projetar a base com diferentes materiais PDMS compostos de diferentes densidades de massa. O biorobot exibe assim resistência a distúrbios externos e mantém a sua profundidade de submersão, pitch e roll, sem ajuda. A primeira camada é o PDMS microballoon (MB-PDMS), ou seja , o PDMS misturado com microballons, o que diminui a densidade do biorobot, permitindo que flutue na mídia. A segunda camada é a cantilever do PDMS, e sua espessura é adaptada de tal forma que a força gerada pelos cardiomiócitos pode dobrar drasticamente o cantilever de 45 ° a 90 °. A camada inferior é nickel-PDMS (Ni-PDMS), ou seja , PDMS misturado com pó de níquel. Esta camada executa várias funções. É magnético e, portanto, permite que o biorobot seja ancorado no fundo do meio, durante a semeadura celular, com um ímã. A mistura de níquel é de maior densidade do que o MB-PDMS eMédio, e assegure uma posição vertical do biorobot enquanto flutua. O peso desta camada gera um torque de restauração no biorobot em qualquer passo e rolo. Além disso, a relação de volume entre o Ni-PDMS e o MB-PDMS mantém a profundidade de submersão. Os protocolos apresentados seriam altamente úteis para pesquisadores interessados em caracterizar a força de batimento de células musculares e tecidos, bem como aqueles que desejam construir biorobots de natação.
A semeadura do atuador biológico funcionalizado e dos dispositivos biorobot, a caracterização mecânica e bioquímica das células e a análise quantitativa da função do dispositivo são descritas em detalhes na Parte 2 deste artigo de duas partes, bem como no trabalho recente 15 .
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Protocol
1. Calcular massa de PDMS e aditivos
- Use a seguinte equação para encontrar a massa de PDMS necessária para alturas específicas nos seguintes procedimentos,
M = ρ * V = ρ * Altura * Área (1),
Onde 'Altura' é a altura da camada, 'Área' é a área de um recipiente no qual o PDMS será curado, 'ρ' é a densidade da mistura e 'V' é o volume.
NOTA: Densidades para cálculos de altura são PDMS = 0,965 g / mL, Ni-PDMS = 1,639 g / mL, MB-PDMS = 0,648 g / mL. - Use a equação (1) para estimar a massa de PDMS necessária, para um determinado recipiente, para obter uma altura específica (5 mm) para a base do atuador biológico. A densidade resultante de PDMS é de 0,965 g / mL.
NOTA: A proporção é de 10: 1 de base para agente de cura por peso.
M base = ρ * V = ρ * V * (
)(2)
M agente de cura = ρ * V = ρ * V * (
) - Use a equação (1) para encontrar a massa de Ni-PDMS necessária, para um determinado recipiente, para obter uma altura específica (1,5 mm) da base inferior do biorobot.
NOTA: As proporções são 1: 1.88 (Níquel em pó para PDMS em peso) e 1: 1.71: 0.171 (Níquel em pó para PDMS Base para PDMS agente de cura em peso). A densidade resultante de Ni-PDMS será de 1.639 g / mL.
M Nickel = ρ * V = ρ * V * (
) (3)
M base = ρ * V = ρ * V * (
)
M agente de cura = ρ * V = ρ * V * (
) - Da mesma forma, use a equação (1) para f Ind da massa de MB-PDMS necessária, para um determinado recipiente, para obter uma altura específica (3,5 mm) da base superior do biorobot.
NOTA: As proporções são de 1: 5 (microbolas para PDMS em peso) e 1: 4,54: 0,454 (microbalhoons para PDMS base para PDMS agente de cura em peso). A densidade resultante de MB-PDMS será de 0,648 g / mL.
M Microballoon = ρ * V = ρ * V * (
) (4)
M base = ρ * V = ρ * V * (
)
M agente de cura = ρ * V = ρ * V * (
) - Verifique a estabilidade dinâmica do biorobot com a dimensão e geometria desejada usando os scripts de análise; Veja a informação complementar, 'Biorobot_dynamic_stability.m' e 'CG_CB_calculation.m'.
)(2) 
) 
) (3) 
) 
) 
) (4) 
) 
) NOTA: veja a Figura 1a.
- Revenda uma fina película de PDMS (veja a Figura 1a-1 e a2). A espessura do filme PDMS resultante será de 25 μm.
- Coloque uma bolacha de silício em um spinner de fotorresist e acione o interruptor da bomba para produzir sucção.
NOTA : A bolacha de silício possui uma espessura de 4 polegadas de diâmetro e 500 μm. - Despeje a fotorresistência positiva ( por exemplo, S1808) na bolacha de silício até que a bolacha esteja completamente coberta. Programe o spinner para girar a 2.000 rpm por 20 s. Em seguida, encaixe o girador pressionando o pedal. Desligue a sucção depois de girar.
- Aqueça uma placa quente até 120 ° C. Use pinças de bolacha para retirar a bolacha de silício do girador e coloque a bolacha de silício diretamente na placa de aquecimento. Cubra a bolacha com uma placa de Petri rasa e asse por 10 minutos.
NOTA : Um forno pode ser usado para baKe a bolacha usando a mesma temperatura e duração. A Figura 1a-1 descreve esse processo. - Coloque um recipiente de plástico em uma balança e desligue-o. Despeje 6 g de base PDMS no recipiente e adicione 0,6 g de agente de cura PDMS. Misture o PDMS completamente por 5 min.
NOTA: Após a mistura, a mistura deve ser confluida com bolhas. - Coloque o recipiente de PDMS misturado em uma câmara de vácuo. Reduza a pressão da câmara de vácuo para 100 mbar e deixe o recipiente na câmara por 30 min. Quebre o vácuo e remova o recipiente. Mantenha o recipiente coberto até o uso.
- Coloque a bolacha de silício com a camada de fotorresis assada no spinner. Despeje lentamente toda a mistura de PDMS desgaseificada na bolacha.
NOTA: Despeje devagar para que não sejam introduzidas novas bolhas na mistura. - Coloque o girador a 1.200 rpm por 5 min. Ligue a aspiração do girador e engate a máquina giratória. Desligue a sucção depois de girar.
NOTA: TEssas configurações resultam em uma camada de PDAM de 25 μm de espessura. - Aqueça um forno a 40 ° C. Use uma pinça de bolacha para retirar a bolacha de silício do girador, depois coloque-a no forno. Asse o bolacha durante a noite e esfrie a bolacha à temperatura ambiente.
NOTA: A Figura 1a-2 descreve esse processo.
- Coloque uma bolacha de silício em um spinner de fotorresist e acione o interruptor da bomba para produzir sucção.
- Gravação a laser da camada PDMS de filme fino.
- Ligue o interruptor de energia do gravador a laser e seu escape. Ligue o computador conectado ao gravador a laser. Abra o software gravador a laser.
- Sob a opção "Arquivo", abra o arquivo de projeto do atuador biológico mostrado na Figura 2e.
- Pressione o botão "Configurações". Clique em "Azul" e altere a configuração de energia para 3% e a velocidade para 4%. Clique em "Definir". Clique em "Preto" e mude o "Modo" para ignorar. Em seguida, clique em "Definir". Faça o mesmo para "Vermelho". Pressione o botão "Aplicar" para finalizaras configurações."
- Pressione o botão "Ativar o gravador" no canto superior direito.
- Pressione o botão "Reenviar" para mover o design para o centro da tela do software.
- Pressione o botão "Visor de foco" no programa e clique na borda do biorobot na tela. Isto irá mover o ponto laser guia do gravador laser para o ponto correspondente.
- Mova a bolacha manualmente com pinças, de modo que o ponto na bolacha correspondente ao ponto clicado em 2.2.4 esteja diretamente sob o ponto laser guia.
- Pressione o botão "Começar a gravar o trabalho anterior" para iniciar o processo de gravação. Remova a bolacha após a conclusão da gravação. Desligue todo o equipamento.
NOTA: O botão "Começar a gravar o trabalho anterior" é o grande triângulo verde. Não olhe diretamente para o processo de gravação, pois o laser pode danificar os olhos. A Figura 1a-3 descreve esse processo. - Preparação e fabricação da base do atuador biológico.
- Despeje as esferas de vidro (3 mm de diâmetro) em um tubo de 15 mL. Mergulhe as esferas com 70% de etanol em água DI durante 24 h. Remova o etanol e encha o tubo com água DI por 24 h. Despeje a água DI e coloque o tubo sobre uma placa quente a 50 ° C para facilitar a secagem das esferas de vidro.
- Adicione 3 g à quantidade de PDMS encontrada na equação (1) para explicar o PDMS que irá manter os lados do recipiente durante o vazamento. Use a equação (2) para encontrar as bases do PDMS e do agente de cura.
- Coloque um recipiente de plástico em uma balança e desligue-o. Despeje a quantidade de base de PDMS encontrada no passo 2.3.2 no recipiente e desligue-a. Em seguida, despeje a quantidade de agente de cura PDMS encontrada no passo 2.3.2 no recipiente.
- Misture o PDMS completamente por 5 min.
NOTA: PDMS é usado em uma proporção de 10: 1 de base para agente de cura. A mistura deve ter muitas bolhas. - Lugar, colocarUm recipiente para ser usado para assar em uma escala e zero fora. Derrame com cuidado a quantidade correta de PDMS encontrada na etapa 2.3.2 (e misturada no passo 2.3.4) no recipiente. Coloque as contas de vidro limpas em toda a mistura PDMS em intervalos regulares. Deixe um mínimo de 5 mm de espaço em torno de cada cordão para a base do atuador biológico.
- Coloque o recipiente em uma câmara de vácuo. Reduza a pressão de vácuo para 100 mbar e apague a bomba de vácuo. Após 30 min, quebre o vácuo e remova o recipiente. Mantenha coberto até o uso.
NOTA: A pressão na câmara pode aumentar lentamente ao longo do tempo à medida que a mistura desgaseifica e a câmara de vácuo escapa. Se a pressão aumentar substancialmente em mais de 100 mbar, ative a bomba de vácuo para restaurar a pressão para 100 mbar. - Aqueça uma placa quente a 40 ° C. Coloque cuidadosamente o recipiente do PDMS e as contas de vidro na placa quente. Cubra o recipiente e cozinhe durante a noite.
- Montagem do atuador biológico. NOTA: O procedimento a seguir pode ser feito a olho nu.
- Corte cubos (5 mm x 5 mm x 5 mm) do PDMS em massa feito na parte 2.3 usando uma lâmina de barbear.
NOTA: Um talão deve estar no centro de cada cubo. - Limpe todos os lados de cada base de atuador biológico, para remover qualquer contaminante nas superfícies da base, pressionando a base na fita e remova. Repita para cada lado.
- Redime as etapas 2.3.2 a 2.3.6 para fazer uma pequena quantidade de PDMS líquido. Mergulhe a ponta de uma agulha no PDMS líquido. Coloque uma gota do PDMS líquido na área de base gravada da bolacha padronizada no passo 2.2. Manchar a gota de PDMS para que ele cubra completamente a área de base de 5 mm x 5 mm.
NOTA: A área de base é a seção do quadrado médio na Figura 2a . - Use pinças para colocar o cubo limpo a partir do passo 2.4.2 na área de base coberta com PDMS líquido.
- Repita a etapa 2.4.3 de "Coloque uma gota de PDMS líquido" para o eNd e passo 2.4.4 para cada dispositivo que será feito.
- Aqueça uma placa quente a 40 ° C. Coloque cuidadosamente a bolacha de silício com as montagens na placa quente. Cubra a bolacha e cozinhe durante a noite.
NOTA : Mantenha os conjuntos anexados até o uso. A Figura 1a-4 descreve o dispositivo final.
- Corte cubos (5 mm x 5 mm x 5 mm) do PDMS em massa feito na parte 2.3 usando uma lâmina de barbear.
3. Fabricação de Biorobots (Figura 1b)
- Revestimento de rotação e gravação a laser de um filme fino PDMS
- Repita todas as etapas em 2.1 e 2.2 usando uma nova bolacha de silício. Isso resultará em uma bolacha de silício com uma película fina de PDMS e uma película fina da fotorresistência, que é gravada com um design de biorobot.
NOTA : Ao repetir o passo 2.2, use o design do biorobot para gravação a laser em vez do design do atuador biológico usado anteriormente. As Figuras 1b-1 e b-3 representam esses processos.
- Repita todas as etapas em 2.1 e 2.2 usando uma nova bolacha de silício. Isso resultará em uma bolacha de silício com uma película fina de PDMS e uma película fina da fotorresistência, que é gravada com um design de biorobot.
- Preparação e fabricação do compasso PDMSSites.
NOTA : O procedimento a seguir pode ser feito a olho nu.- Derrame microbolos fenólicos em um tubo de 50 mL até ficar cheio. Encha o tubo com 70% de etanol em DI-água e deixe-o sentar-se durante 24 h. Derrame o etanol, adicione água DI e deixe-a sentar por 24 h. Desligue a água DI e, em seguida, coloque o tubo sobre uma placa de aquecimento a 50 ° C para facilitar a secagem das microbolas antes da utilização.
- Use a equação (1) com a densidade MB-PDMS e 3,5 mm de altura para encontrar o volume de PDMS necessário. Adicione 3 g ao valor total, para explicar o material que permanecerá no recipiente após o vazamento. Use a equação (3) para encontrar a base PDMS e os valores do agente de cura. Medir a quantidade apropriada de base de PDMS, agente de cura e microballoons usando a escala.
- Use a equação (1) com densidade Ni-PDMS e 1,5 mm de altura para encontrar o volume de PDMS necessário. Adicione 3 g ao valor total como no passo 3.2.2. Use a equação (2) para encontrar a base PDMS e curar umaMontantes de gent. Medir a quantidade apropriada de base de PDMS, agente de cura e pó de níquel usando a escala.
- Misture cada mistura de MB-PDMS e Ni-PDMS por 5 min. Forneça cuidadosamente a quantidade correta de MB-PDMS e Ni-PDMS calculada em 3.2.2 e 3.2.3 em recipientes separados usando uma escala.
NOTA : As misturas devem ser cuidadosamente misturadas por uma barra de metal ou vidro sem coçar a superfície inferior do recipiente de mistura. A mistura será confluente com bolhas. - Coloque ambos os recipientes em uma câmara de vácuo. Reduzir a pressão para 100 mbar durante 30 min. Quebre o vácuo e remova os recipientes. Mantenha coberto até o uso.
- Aqueça uma placa quente a 40 ° C. Coloque recipientes com MB-PDMS e Ni-PDMS na placa quente. Cubra cada recipiente e leve à cozer durante a noite.
NOTA : Armazene com uma tampa até o uso.
- Assembléia de Biorobot.
- Corte as bases de biorobot de dimensões respectivas para cada tamanho de biorobot de Ni-PDMS e MB-PDMS usando uma lâmina de barbear. Veja a Figura 2b-2d para projetos base.
NOTA: As espessuras de Ni-PDMS são de 1,5 mm e a de MB-PDMS é de 3,5 mm. - Limpe todos os lados das bases do biorobot para remover quaisquer contaminantes nas superfícies, pressionando a base na fita e removendo. Repita para cada lado.
- Ligue um descarregador corona. Traga a ponta do descarregador de corona 1 cm acima da base de Ni-PDMS, que é colocada em uma placa de metal com um tecido de sala limpa no meio. Mova a ponta ao redor da base e continue por 15 s para tratar a superfície.
NOTA: Deve ocorrer uma descarga entre o descarregador corona e a bolacha. Se não, traga a ponta mais próxima até ocorrer uma descarga. - Repita o passo 3.3.3 para tratar a superfície da base de um biorobot gravado no passo 3.1 durante a mesma duração. Use pinças para colocar o lado tratado com Ni-PDMS no lado tratado do filme. Deixe o dispositivo ficar sentado durante 5 min.
NOTA : Isto vai durarGue as duas partes. Veja a Figura 1b4 . - Use pinças afiadas para descascar o cantilever biorobot da bolacha e coloque-a no fundo da base Ni-PDMS. Use pinças para remover todo o conjunto da bolacha.
NOTA : O cantilever será anexado à base Ni-PDMS. A Figura 1b-5 e b-6 retratam isso. - Coloque uma pequena gota de PDMS não curado (base 10: 1 para agente de cura) na parte superior da base MB-PDMS. Use pinças para colocar o lado do Ni-PDMS com o filme fino PDMS no MB-PDMS com o PDMS não curado. Coloque o conjunto em uma placa de petri de plástico e, em seguida, coloque-o sobre uma placa quente a 40 ° C para curar durante a noite.
NOTA: A Figura 1b-7 descreve o dispositivo final.
- Corte as bases de biorobot de dimensões respectivas para cada tamanho de biorobot de Ni-PDMS e MB-PDMS usando uma lâmina de barbear. Veja a Figura 2b-2d para projetos base.
4. Funcionalidade dos Dispositivos
NOTA : Abaixo, descrevemos o processo de preparação dos dispositivos para semeadura celular.
- PreparaçãoSão os materiais necessários: solução de fibronectina (50 μg / mL), solução de solução salina de tampão de fosfato (PBS), meio de Eagle modificado de Dulbecco (DMEM) suplementado com 10% de soro de bovino fetal (FBS) e 1% de antibiótico de penicilina (DMEM completo).
- Coloque 100 μL de solução de fibronectina no centro de um balão de cultura T-25 (superfície inferior quando o frasco estiver sentado na posição vertical). Mantenha frascos separados para cada dispositivo.
- Coloque o biorobot ou o atuador biológico voltado para baixo sobre a gota de solução de fibronectina. Certifique-se de que o cantilever é desdobrado e imerso dentro da gota. Incube a 37 ℃ por 30 min.
- Após a incubação, remova a solução de fibronectina e lave com PBS duas vezes.
- Remova o PBS e encha o balão com 10 mL de DMEM. Incube a 37 ℃ por 1 h para facilitar a desgaseificação do PDMS. Para submergir os biorobots em 10 mL de mídia, use um ímã para segurar o dispositivo na parte inferior do frasco. Coloque o frasco com o samEncha um banho de ultra-sons durante 5 min para remover as bolhas.
NOTA : Durante o período de incubação, as bolhas de ar se formam na superfície do PDMS, que é referido como desgaseificação aqui. O Ni-PDMS usado na montagem biorobot é magnético. O atuador biológico não precisa de um ímã porque permanecerá na parte inferior do balão devido ao peso do talão de vidro. O biorobot ou o conjunto de atuador biológico está agora pronto para semeadura, o que é explicado em detalhes na parte 2.
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Representative Results
O atuador biológico e o biorobot têm processos de fabricação muito semelhantes, pois o biorobot é uma extensão natural do atuador biológico ( Figura 1 ). O atuador biológico foi desenvolvido primeiro para estabelecer as técnicas necessárias para o biorobot, analisar a força gerada pelas células e caracterizar a maturação celular mecanicamente e bioquimicamente, ambas descritas detalhadamente na Parte 2 deste artigo de duas partes como Bem como em nosso trabalho recentemente publicado 15 .
A constante de mola do atuador foi avaliada e ajustada para uma grande mudança no raio de curvatura do cantilever durante a contração total da folha de cardiomiócitos. Então, nós criamos o biorobot ao mesmo tempo em que consideramos sua estabilidade, controle durante a semeadura de células e facilidade de locomoção. Inicialmente, alguns projetos foram escolhidos, como mostradoNa Figura 2b-2d , com diferentes propriedades para avaliar quais atributos mais contribuem para os requisitos de design. Os Biorobots foram projetados e testados com cantilevers curtos, longos e largos, bem como com múltiplos cantilevers para testar o efeito de mudanças no atuador na função biorobot. Também consideramos diferentes tamanhos da base flutuante. A geometria da base foi mantida como um triângulo, pois cria a assimetria que resultaria em um movimento direcional.
A estabilidade do biorobot foi um componente crítico no processo de design. A camada MB-PDMS superior foi utilizada para fornecer flutuabilidade ao dispositivo, enquanto a camada Ni-PDMS inferior foi usada para estabilidade e controle magnético. Devido a uma maior densidade, a camada base feita de níquel proporciona ao biorobot a capacidade de manter-se vertical e retornar à sua posição original após a exposição a distúrbios externos; Mostrado na Figura 3
A seguinte equação pode descrever a altura dos biorobots acima da superfície do meio: 
Onde H Ni , H Mb , ρ médio , ρ Mb e ρ
Para determinar a espessura certa de cada camada compósita, várias proporções de mistura foram testadas com Ni-PDMS e MB-PDMS. As densidades máxima e mínima que poderiam ser facilmente misturadas eram 0,648 g / cm 3 para MB-PDMS e 1,64 g / cm 3 para Ni-PDMS, como mostrado na Figura 3a . Todas as alturas de biorobot foram projetadas para que o momento de restauração de um biorobot em qualquer ângulo de inclinação fosse suficientemente forte para trazê-lo de volta à posição horizontal. Uma forma triangular foi usada para reduzir o arrasto hidrodinâmico. As dimensões finais são mostradas na Figura 3d . Usando um script de computador, a estabilidade foi analisada numericamente e provou ter um momento de restauração forte usando o método de duas camadas, como mostrado na Figura 3e . Ver tabela de materiais e informações complementaresN para o programa de computador usado.
Figura 1: Fluxo de processo para a fabricação do atuador biológico e Biorobot. Cada desenho representa as etapas nos materiais e métodos nas seções de protocolo 2 e 3 para o atuador biológico e a fabricação de biorobot. Os cantilevers do PDMS são fabricados por revestimento por rotação e gravação a laser. Em seguida, os cantilevers são anexados a uma base estacionária com um talão de vidro para o atuador biológico ( a ) ou a uma base flutuante auto-estabilizadora para o biorobot ( b ). Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Figura 2: Dimensões deO Atuador Biológico e os Biorobots que são Fabricados neste Estudo e os Arquivos CAD para Gravação, tanto o Atuador Biológico quanto os Vários Tipos de Biorobots. (A) Atuador biológico. ( B ) Biorobot de cantilever de braço duplo. ( C ) Biorobot em cantilever de braço largo. ( D ) Biorobot de braço único. ( E ) Desenho CAD do atuador biológico para gravação a laser. ( F ) Desenho CAD de biorobots para gravação a laser. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Figura 3: Densidades de mistura para Ni-PDMS e MB-PDMS e Estabilidade dos Biorobots. (A) Razões de mistura e densidades resultantes. ( B ) As densidades e heigAs suas bases em relação à mídia. ( C ) A rotação e restauração do biorobot quando inclinado. O desalinhamento entre o centro de gravidade (CG) e o centro de flutuabilidade (CB) gera um momento rotativo. Este momento irá restaurar o biorobot ou fazer com que ele se incline mais. ( D ) As dimensões do biorobot de braço único em escala milimétrica. ( E ) A força de restauração foi simulada para o biorobot de braço único mostrado na parte (c) sob condições de inclinação em (b) usando duas camadas (Ni-PDMS e MB-PDMS) versus camada única (MB-PDMS). O gráfico mostra que um biorobot de camada única não será restaurado se ele for inclinado acima de 45 °, enquanto que o biorobot de dupla camada sempre terá força de restauração positiva, mantendo o biorobot ereto. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
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Discussion
Vários mecanismos de locomoção podem ser encontrados entre nadadores aquáticos 16 . O mecanismo de locomoção do biorobot neste estudo usa locomoção baseada em aletas, especificamente locomoção ostraciiforme. Os nadadores Ostraciiform propulsam-se meneando uma cauda (cantilever) e tendo um corpo rígido (base em camadas) 16 . Os peixes, como o peixe e o peixe-gato, usam esse tipo de locomoção. Os nadadores Ostraciiform são tipicamente lentos e têm dimensões corporais ineficientes. Embora a natação ostraciiforme não tenha velocidade, esta forma de natação permite aos engenheiros implementar várias funcionalidades (como a estabilidade dinâmica) na base ou no corpo. O design do biorobot desenvolvido neste estudo baseia-se em uma base sólida para flutuação e estabilidade, com um cantilever auto-atuante como mecanismo de propulsão. Um dos passos mais importantes na fabricação do biorobot neste estudo é o filme fino PDMS e processo de gravação a laser para formar o cantialavanca. Sem um cantilever limpo, a mistura certa de PDMS (para elasticidade), espessura correta (para constante de mola) e dimensões (com área suficiente para adesão confluente de cardiomiócitos para produzir movimento), o biorobot não funcionará. Além disso, também é necessário remover todas as bolhas da superfície cantilever por ultra-sonografia para criar uma superfície viável para a fixação de cardiomiócitos.
Os materiais compósitos PDMS desenvolvidos, MB-PDMS e Ni-PDMS podem ser usados para controlar com precisão a profundidade de submersão e produzir com sucesso a estabilidade dinâmica dos biorobots. A densidade de massa destes materiais pode ser afinada, como mostrado na Figura 3a . Além disso, esses materiais não apresentam efeitos negativos sobre a maturação e contração dos cardiomiócitos, como mostramos em nosso trabalho recente 15 . Assim, os materiais desenvolvidos podem ser amplamente utilizados para implementar uma estrutura auto-estabilizadora e flutuanteE para biorobots e outras aplicações.
Embora o protocolo atual tenha sido capaz de construir um biorobot de auto-estabilização, ele tem algumas limitações. Primeiro, como o cantilever é removido manualmente da bolacha, o cantilever pode ser deformado durante o processo e a repetibilidade do desempenho do biorobot é afetada. Isso pode ser abordado usando uma camada de sacrifício de dissolução de água em vez da camada de fotorresistência, de modo que o cantilever pode ser facilmente removido da bolacha; Cantilevers maiores podem ser usados também para maior potência. Em segundo lugar, o procedimento baseia-se principalmente em operações manuais. O procedimento de fabricação pode ser simplificado para uma maior eficiência. Por exemplo, o processo de montagem, incluindo a semeadura de cardiomiócitos, pode ser modificado de modo a conduzi-lo em um nível de bolacha em vez de nível de dispositivo individual. Por fim, a forma da base triangular do biorobot pode ser otimizada para aumentar a direcionalidade e a estabilidade da natação.
<P class = "jove_content"> Os Biorobots que aproveitam o poder gerado pelas células musculares vivas são de interesse considerável como uma alternativa aos robôs tradicionais totalmente artificiais. Este protocolo usa técnicas de litografia suave e bio-MEMS para produzir um biorobot de auto-estabilização e natação. O design particular pode ser aprimorado. A eficiência do atuador pode ser aumentada por padrões de alinhamento para os cardiomiócitos na superfície do volante. Isso promoverá a orientação das células e pode aumentar a geração de força dos cariomiocitos 17 . As dimensões também podem ser variadas ou vários braços em voladouros podem ser anexados, para aumentar ainda mais a força líquida contra as contracções sincronizadas. Conforme descrito anteriormente, a base de múltiplas camadas permite a adaptação da altura do biorobot acima da superfície da mídia. Isso determina a carga máxima e a estabilidade. Além disso, podemos substituir ou adicionar materiais condutores ao cantilever para fAcilize a estimulação elétrica. A estimulação elétrica pode ser usada para controlar a taxa de contração das células e a velocidade dos biorobots. Acreditamos que os métodos apresentados podem ser usados para desenvolver biorobots altamente eficientes para aplicações como a entrega de pacotes pequenos.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Os autores não têm nada a revelar
Acknowledgments
MT Holley é apoiado pelo programa Graduate Fellows do Louisiana Board of Regents e C. Danielson é apoiado pelo Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Este estudo é apoiado por NSF Grant No: 1530884. Os autores agradecem o suporte da sala limpa no Centro de Microsistemas e Dispositivos Avançados (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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