Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Kardiyak Kas hücresine Dayalı Aktüatör ve Kendiliğinden Sertleşen Biorobot - BÖLÜM 1

Published: July 11, 2017 doi: 10.3791/55642
Automatic Translation
*1, *2, 1, *2, *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

Bu iki bölümlü çalışmada, biyolojik aktüatör, son derece esnek polidimetilsiloksan (PDMS) konsollar ve canlı kas hücreleri (kardiyomiyosit) kullanılarak geliştirildi ve karakterize edildi. Biyolojik harekete geçirici, kendinden dengelenen, yüzme biorobotu oluşturmak için değiştirilmiş PDMS malzemelerinden yapılmış bir tabana dahil edildi.

Abstract

Genellikle biorobot olarak adlandırılan biyolojik makineler, yalnızca yaşayan bileşenlerin kasılma aktivitesi ile güçlendirilen canlı hücre veya doku tabanlı cihazlardır. Doğal avantajları nedeniyle biorobotlar, geleneksel tamamen yapay robotlara alternatif olarak ilgi görüyor. Çeşitli çalışmalar, biyolojik aktuatörlerin gücünden yararlanmaya odaklanmıştır, ancak yakın zamanda yapılan çalışmalar biorobotların performansını nicel olarak karakterize etmiş ve geometrilerini fonksiyonellik ve verimliliği artırmak için incelemiştir. Burada, dış etkileşime girmeden ziftini, derinliğini ve rulosunu koruyabilen kendinden dengeli bir yüzme biorobotunun gelişimini gösteriyoruz. Biyolojik aktüatör ve biorobot için PDMS iskeletinin tasarımı ve imalatı, ardından fibronektin ile işlevselleştirme bu ilk bölümde anlatılmıştır. Bu iki bölümlü makalenin ikinci bölümünde, kardiyomiyositlerin dahil edilmesini ve biyolojik aktiviteyi karakterize ederizAtor ve biorobot işlevi. Her ikisi de kanat tabanlı tahrik üreten bir taban ve kuyruk (konsol) içerir. Kuyruk PDMS ve lazer oyma kullanarak yumuşak litografi teknikleri ile oluşturulmuştur. Kuyruğu cihaz tabanı ile birleştirdikten sonra, bir hücre yapışkan proteini ile işlevselleştirilir ve kardiyomiyositlerle konfluent olarak tohumlanır. Biyolojik harekete geçiricinin tabanı, merkezi bir cam boncuklu (ağırlığı görevi gören) katı bir PDMS bloğundan oluşur. Biorobotun tabanı, iki kompozit PDMS materyalinden, Ni-PDMS'den ve mikro-balon-PDMS'den (MB-PDMS) oluşur. Nikel tozu (Ni-PDMS'de), hücrelerin tohumlanması esnasında biorobotun manyetik olarak kontrol edilmesini ve lokomotion sırasında stabilite sağlar. Microballoons (MB-PDMS'de), MB-PDMS yoğunluğunu azaltır ve biorobot'u yüzer ve yüzmeyi istikrarlı bir şekilde sağlar. Bu iki maddenin farklı kütle yoğunluklarıyla kullanılması, biorobotun herhangi bir açıda olumlu bir restorasyon kuvveti sağlamak için ağırlık dağılımı üzerinde hassas kontrolü mümkün kıldı. Bu teknikManyetik olarak kontrol edilen kendi kendini stabilize eden yüzme biorobotu üretir.

Introduction

Biyolojik aktüatörler ve biorobotlar, sayısız uygulama için klasik robotiklere bir alternatif sağlamak için aktif olarak çalışılmaktadır. 5 , 6 , 7 , 8 , yüzme 1 , 2 , 3 , 4 , pompa 9 , 10 veya sap 11 , 12 , 13 yürüten biorobotlar Zaten geliştirildi. Benzer şekilde, kas hücreleri 3D yuvarlanmış PDMS yapısına 14 dahil edilebilir . Genellikle, biorobot omurgalar, hidrojeller ve PDMS (polidimetilsiloksan) gibi malzemelerle yumuşak litografi teknikleri kullanılarak imal edilir. Bunlar esnek olmaları nedeniyle cazip seçimlerdir, biyokompatibIlity ve kolayca ayarlanabilen sertlik. Canlı kas hücreleri, genellikle, kasılma yoluyla kuvvet üretmek için bu malzemelerle birleştirilir. Memeli kalp kası hücreleri (kardiyomiyosit) ve iskelet kası hücreleri baskın olarak harekete geçirmek için kullanılmıştır. Bu ikisinin yanında, oda sıcaklığında biorobotları çalıştırmak için böcek kas dokuları kullanılmıştır 3 . Bu iki bölümlü çalışmada, kendiliğinden kasılmaları nedeniyle kardiyomiyosit seçildi 6 .

Daha önce yapılan biorobots araştırmalarının çoğu, biyolojik aktüatörlerin geliştirilmesine odaklanmış ve biorobot mimarisinin optimizasyonu ve biorobotlar için gerekli işlevlerin geliştirilmesi büyük ölçüde ihmal edilmiştir. Son zamanlarda, birkaç rapor, doğada bulunan tahrik modlarından ilham alan farklı yüzme modlarının uygulanmasını gösterdi. Bu yöntemler, çeşitli doğal itme yöntemlerini taklit etmek için PDMS filmleri ve kas hücrelerini içerir. Örneğin, flamanlı tabanlı tahrik 1 , biyomimetik denizanası tahrik 2 , biyo-hibrid ışın 4 ve ince film PDMS yüzme cihazları 13 bildirilmiştir.

Bu yazıda, daldırma derinliğini ve perde ve ruloyu koruyabilen kendinden stabilize yüzme biorobotlarının üretim sürecini sunuyoruz. Biorobotun sağlam bir tabanı veya gövdesi vardır, bu da tek bir konsol tarafından itilir ve yüzeye kardiyomiyosit eklenir. Kardiyomiyositler konsolun sözleşme yaptıklarında uzunlamasına yönde bükülmesine neden olur. Bu yüzme şekli ostra skiller şeklinde sınıflandırılır. Bazda ek işlevler ekleme özelliği ostra skil yüzmenin benzersiz bir avantajıdır. Örneğin, taban, kardiyomiyosit kasılması için ilave yükler veya kontrol devresi taşımak için aşırı yüzme kuvveti sağlamak için kullanılabilir.

istikrarBiorobotun daha önceki çalışmalarında sıklıkla gözden kaçırıldı. Bu çalışmada, kütle yoğunluğu farklı olan farklı kompozit PDMS materyalleri ile taban tasarımı yapılarak kendi kendine stabilizasyon uygulandı. Biorobot, böylece dış etkenlere karşı direnç gösterir ve su altında kalma derinliği, zift ve rulonunu korur. Birinci tabaka mikrobalun PDMS (MB-PDMS), yani mikrobalonlarla karıştırılmış PDMS, bu da biorobotun yoğunluğunu düşürerek medyada yüzmesini sağlar. İkinci kat PDMS konsoludur ve kalp kalınlığı, kardiyomiyositlerin oluşturduğu kuvvet konsolun 45 ° ila 90 ° arasında çarpması için uyarlanmıştır. Alt tabaka, nikel-PDMS (Ni-PDMS), yani nikel tozu ile karıştırılmış PDMS'dir. Bu katman birden fazla işlevi yerine getirir. Manyetiktir ve bu nedenle, biyolojik köpeğin, ortamın altına, hücre tohumlaması sırasında, bir mıknatısla demirlemesine izin verir. Nikel karışımı MB-PDMS'den daha yüksek yoğunlukta veOrta ve yüzer haldeyken biorobotun dik konumda olmasını sağlayın. Bu tabakanın ağırlığı biorobot üzerinde herhangi bir adım ve rulo üzerinde bir geri yükleme torku oluşturur. Ayrıca, Ni-PDMS ile MB-PDMS arasındaki hacim oranı dalma derinliğini korur. Sunulan protokoller, kas hücrelerinin ve dokuların dayak kuvvetini karakterize etmek isteyen araştırmacıların yanı sıra yüzme biorobotları kurmak isteyenler için son derece yararlı olacaktır.

Fonksiyonlu biyolojik harekete geçiricinin ve biorobot cihazların tohumlanması, hücrelerin mekanik ve biyokimyasal olarak karakterizasyonu ve cihaz işlevinin kantitatif analizi, bu iki bölümlü makalenin 2. Bölümünde ve yakın zamanda yayınlanan 15 çalışmada ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. PDMS ve Katkı Maddelerinin Kütlesini Hesapla

  1. Aşağıdaki yordamı, aşağıdaki yordamlarda belirli yükseklikler için gereken PDMS kütlesini bulmak için kullanın;
    M = ρ * V = ρ * Yükseklik * Alan (1),
    Burada 'Yükseklik' katmanın yüksekliğidir, 'Alan' PDMS'nin iyileştirileceği bir kabın alanıdır, 'ρ' karışımın yoğunluğudur ve 'V' hacmidir.
    NOT: Yükseklik hesaplamaları yoğunlukları PDMS = 0.965 g / mL, Ni-PDMS = 1.639 g / mL, MB-PDMS = 0.648 g / mL'dir.
  2. Belirli bir kap için biyolojik aktüatör tabanına özgü bir yüksekliği (5 mm) elde etmek için gereken PDMS kütlesini tahmin etmek için denklemi (1) kullanın. Ortaya çıkan PDMS yoğunluğu 0.965 g / mL 'dir.
    NOT: Ağırlık itibarıyla kürleme ajanı oranı 10: 1'dir.
    M taban = ρ * V = ρ * V * ( Denklem )(2)
    M sertleştirme maddesi = ρ * V = ρ * V * ( Denklem )
  3. Belirli bir kap için biorobotun alt tabanının belirli bir yüksekliğini (1,5 mm) elde etmek için gereken Ni-PDMS kütlesini bulmak için denklemi (1) kullanın.
    NOT: Oranlar 1: 1.88 (Ağırlıkça PDMS'ye Nikel Tozu) ve 1: 1.71: 0.171 (ağırlığa göre PDMS Tabanına Nikel Tozu ila PDMS sertleştirici ajan). Elde edilen Ni-PDMS yoğunluğu 1.639 g / mL olacaktır.
    M Nickel = ρ * V = ρ * V * ( Denklem ) (3)
    M taban = ρ * V = ρ * V * ( Denklem )
    M sertleştirme maddesi = ρ * V = ρ * V * ( Denklem )
  4. Benzer şekilde, denklemi (1) f Belirli bir kap için MB-PDMS kütlesi, biorobotun üst tabanının belirli bir yüksekliğini (3.5 mm) elde etmek için gerekli.
    NOT: Oranlar 1: 5 (ağırlığa göre mikro balonlardan PDMS'ye) ve 1: 4.54: 0.454 (ağırlığa göre PDMS kür maddesine PDMS bazına mikro balon) şeklindedir. Ortaya çıkan MB-PDMS yoğunluğu 0.648 g / mL olacaktır.
    M Microballoon = ρ * V = ρ * V * ( Denklem ) (4)
    M taban = ρ * V = ρ * V * ( Denklem )
    M sertleştirme maddesi = ρ * V = ρ * V * ( Denklem )
  5. Analiz komut dosyalarını kullanarak biorobotun dinamik stabilitesini arzulanan boyut ve geometriye göre kontrol edin; 'Biorobot_dynamic_stability.m' ve 'CG_CB_calculation.m' ek bilgilerine bakın.
_title "> 2. Sabit Bir Tabanda Biyolojik Aktüatörlerin İmalatı

NOT: Şekil 1a'ya bakınız.

  1. PDMS'nin ince bir filmini döndürünüz (bkz. Şekil 1a-1 ve a2). Elde edilen PDMS filminin kalınlığı 25 μm olacaktır.
    1. Bir fotorezist spinner üzerine bir silikon gofret koyun ve emme üretmek için pompa anahtarını çevirin.
      NOT : Silikon gofret 4 inç çap ve 500 μm kalınlığa sahiptir.
    2. Pozitif fotorezisti ( örn. S1808), gofret tamamen örtene kadar silikon gofret üzerine koyun. 20 saniye boyunca 2.000 devirde dönmeyi programlayın. Ardından, döndürücüyü ayak pedala basarak tutun. İplikten sonra emmeyi kapatın.
    3. Sıcak levhayı 120 ° C'ye ısıtın. Soğutucudan silikon gofreti almak için cüzdan cetvelini kullanın ve silikon gofreti doğrudan ocak gözüne yerleştirin. Grafiti sığ bir petri kabıyla örtün ve 10 dakika fırında pişirin.
      NOT : Bir fırın baAynı sıcaklık ve süreyi kullanarak gofreti ke tutun. Şekil 1a-1 bu işlemi tasvir etmektedir.
    4. Bir tartım terazisine bir plastik kap yerleştirin ve sıfırlayın. Kaba 6 g PDMS tabanı dökün ve 0,6 g PDMS sertleştirici ajan ekleyin. PDMS'yi 5 dakika iyice karıştırın.
      NOT: Karıştırma işleminden sonra karışımın kabarcıklarla yoğunlaşması gerekir.
    5. Karışık PDMS'nin kabını bir vakum odasına yerleştirin. Vakum odasının basıncını 100 mbar'a düşürün ve kabı 30 dakika süreyle bölmede bırakın. Vakumu kırın ve kabı çıkarın. Kullanana kadar kabı kapalı tutun.
    6. Silindirli gofreti fırında pişirilmiş fotorezist tabaka ile birlikte döndürücü üzerine yerleştirin. Gazı giderilmiş PDMS karışımının tümünü yavaşça gofret üzerine dökün.
      NOT: Karışıma yeni baloncuklar eklenmemesi için yavaş yavaş boşaltın.
    7. Eğirmeyi, 5 dakika boyunca 1,200 rpm'ye ayarlayın. Eğiricinin emişini açın ve eğirmeyi yapın. İplikten sonra emmeyi kapatın.
      NOT: T25 μm kalınlığındaki bir PDMS tabaka ile sonuçlanır.
    8. Fırını 40 ° C'ye ısıtın. Soğutucudan silikon gofret almak için gofret cımbız kullanın, daha sonra fırında yerleştirin. Geceliği bir gecede pişirin ve daha sonra oda sıcaklığında gofreti soğutun.
      NOT: Şekil 1a-2 bu işlemi tasvir etmektedir.
  2. İnce film PDMS tabakasının lazer gravürü.
    1. Lazer oymacının güç düğmesini ve egzozunu açın. Lazer oymacıya bağlı bilgisayarı açın. Lazer gravür yazılımını açın.
    2. "Dosya" seçeneği altında, Şekil 2e'de gösterilen biyolojik aktüatör tasarım dosyasını açın.
      1. "Ayarlar" düğmesine basın. "Mavi" yi tıklayın ve güç ayarını% 3 olarak değiştirin ve% 4 hızına gelin. "Ayarla" yı tıklayın. "Siyah" ı tıklayın ve atlamak için "Mod" u değiştirin. Ardından "Ayarla" yı tıklayın. "Kırmızı" için de aynı şeyi yapın. Bitirmek için "Uygula" düğmesine basınayarlar."
      2. Sağ üst köşedeki "Oymacıyı Etkinleştir" düğmesini itin.
    3. Tasarımı yazılım ekranının ortasına taşımak için "Yer Değiştir" düğmesine basın.
    4. Programdaki "Focus View" düğmesine basın ve ekrandaki biorobotun kenarına tıklayın. Bu, lazer gravür makinesinin yönlendirici lazer noktasını ilgili noktaya taşıyacaktır.
    5. 2.2.4'te tıklanan noktaya karşılık gelen gofret üzerindeki nokta direkt olarak kılavuzluk lazer noktasının altında olacak şekilde cıvata cetveliyle elle hareket ettirin.
    6. Oyma işlemini başlatmak için "Önceki işi gravür işlemine başla" düğmesine basın. Gravür tamamlandıktan sonra gofreti çıkartın. Tüm ekipmanları kapatın.
      NOT: "Daha önceki işi gravür işlemine başla" düğmesi büyük yeşil üçgentir. Lazer gözlere zarar verebileceğinden, gravür işlemine doğrudan bakmayın. Şekil 1a-3 bu işlemi tasvir etmektedir.
    7. Biyolojik aktüatör tabanı hazırlanması ve imalatı.
      1. 15 ml tüp içine cam boncuklar (3 mm çapında) dökün. Boncukları DI suda% 70 etanol ile 24 saat boyunca bekletin. Etanolü alın ve 24 saat süreyle tüpü DI su ile doldurun. DI suyunu boşaltın ve cam boncukların kurumasını kolaylaştırmak için tüp 50 ° C'de bir ocak tablasına yerleştirin.
      2. Döküm sırasında kapların kenarlarına yapışacak PDMS'yi hesaba katmak için denklem (1) 'de bulunan PDMS miktarına 3 g ekleyin. PDMS bazını ve kürleme maddesi miktarlarını bulmak için denklemi (2) kullanın.
      3. Bir tartım terazisine bir plastik kap yerleştirin ve sıfırlayın. Adım 2.3.2'de bulunan PDMS tabanı miktarını kaba dökün ve sıfırlayın. Ardından, adım 2.3.2'de bulunan PDMS kür ajanı miktarını kaba dökün.
      4. PDMS'yi 5 dakika iyice karıştırın.
        NOT: PDMS, sertleştirici ajana 10: 1 baz oranında kullanılır. Karışımın çok sayıda kabarcığı olmalıdır.
      5. yerBir ölçekte fırında pişirmek ve sıfır dışarı atmak için kullanılacak bir kap. Adım 2.3.2'de bulunan (ve adım 2.3.4'te karıştırılmış) kutuda doğru miktarda PDMS dökün. Temizlenmiş cam boncukları PDMS karışımı boyunca düzenli aralıklarla bırakın. Biyolojik tahrik tabanı için her bir boncuk etrafında en az 5 mm boşluk bırakın.
      6. Kabı bir vakum odasına yerleştirin. Vakum basıncını 100 mbar'a düşürün ve vakum pompasını kapatın. 30 dakika sonra vakumu kırın ve kabı çıkarın. Kullanıma kadar muhafaza edin.
        NOT: Karışım gazı giderir ve vakum odası sızdırdığından odadaki basınç yavaşça artabilir. Basınç 100 mbar'ın üzerinde artarsa ​​basıncı 100 mbar'a getirmek için vakum pompasını açın.
      7. Isı plakasını 40 ° C'ye ısıtın. Dikkatlice PDMS'nin kabını ve cam boncukları sıcak plakaya yerleştirin. Hazneyi örtün ve bir gecede pişirin.
    8. Biyolojik aktüatör montajı. NOT: Aşağıdaki prosedür çıplak gözle yapılabilir.
      1. Bölüm 2.3'te hazırlanan dökme PDMS'den bir tıraş bıçağı kullanarak küpleri (5 mm x 5 mm x 5 mm) kesin.
        NOT: Bir kürek her küpün ortasında olmalıdır.
      2. Temelleri banda bastırarak çıkarın ve taban yüzeyindeki kirleticileri çıkarmak için her biyolojik aktüatör tabanının her tarafını temizleyin. Her iki taraf için de tekrarlayın.
      3. Az miktarda sıvı PDMS yapmak için 2.3.2 ila 2.3.6 adımlarını tekrarlayın. İğnenin ucunu sıvı PDMS'ye batırın. Adım 2.2'de desenli gofretin gravür temel alanına bir damla sıvı PDMS yerleştirin. 5 mm x 5 mm taban alanını tamamen kaplayacak şekilde PDMS damlacıklarını bulaştırın.
        NOT: Taban alanı, Şekil 2a'daki orta kare kesittir.
      4. Adım 2.4.2'deki temizlenmiş küveti, sıvı PDMS ile örtülü olan taban alana yerleştirmek için cımbız kullanın.
      5. Adım 2.4.3'ü "Bir damla sıvı PDMS yerleştirin" e tekrarlayınYapılacak her cihaz için nd ve adım 2.4.4.
      6. Isı plakasını 40 ° C'ye ısıtın. Silikon gofreti montajlarla sıcak plaka üzerine dikkatlice yerleştirin. Gofreti örtün ve bir gecede pişirin.
        NOT : Montajları kullanıma kadar bağlı tutun. Şekil 1a-4 nihai aygıtı tasvir etmektedir.

    3. Biorobotların imalatı (Şekil 1b)

    1. İnce bir PDMS filminin döndürme kaplaması ve lazerle gravürlenmesi
      1. Yeni bir silikon gofret kullanarak 2.1 ve 2.2'deki tüm adımları tekrarlayın. Bu, PDMS'nin ince bir filmine sahip bir silikon gofret ve bir biorobot tasarımıyla gravürlenmiş fotorezistin ince bir filmi ile sonuçlanacaktır.
        NOT : adım 2.2 tekrar ederken, daha önce kullanılan biyolojik aktüatör tasarımı yerine lazer oyma için biorobot tasarımı kullanın. Şekiller 1b-1 ve b-3 , bu işlemleri tasvir etmektedir.
    2. PDMS compo'nun hazırlanması ve üretimiSiteler.
      NOT : Aşağıdaki prosedür çıplak gözle yapılabilir.
      1. Fenolik mikro balonlar 50 mL'lik bir tüpün içine dolana kadar boşaltılır. Tüp, DI suyunda% 70 etanol ile doldurun ve 24 saat bekletin. Etanol dökün, DI su ekleyin ve 24 saat bekletin. Kullanmadan önce mikro balonların kurumasını kolaylaştırmak için, İY suyunu boşaltın ve ardından tüp 50 ° C'de bir ocak plakasına yerleştirin.
      2. Gerekli PDMS hacmini bulmak için MB-PDMS yoğunluğu ve 3.5 mm yükseklikle denklemi (1) kullanın. Döküldükten sonra kabın içinde kalacak olan malzemeyi hesaba katmak için, toplam miktara 3 g ekleyin. PDMS tabanı ve sertleştirici ajan miktarlarını bulmak için denklemi (3) kullanın. Teraziyi kullanarak PDMS tabanı, kür ajanı ve mikro balonların uygun miktarını ölçün.
      3. Gerekli PDMS hacmini bulmak için Ni-PDMS yoğunluğu ve 1.5 mm yüksekliğindeki denklemi (1) kullanın. Adım 3.2.2'deki gibi toplam miktara 3 g ekleyin. PDMS tabanını bulmak ve bir kürleme yapmak için denklemi (2) kullanın.Nazik miktarlar. Teraziyi kullanarak uygun miktarda PDMS bazını, kür maddesini ve nikel tozunu ölçün.
      4. Her bir MB-PDMS ve Ni-PDMS karışımını 5 dakika boyunca karıştırın. 3.2.2 ve 3.2.3'te hesaplanan MB-PDMS ve Ni-PDMS miktarını dikkatli bir şekilde ayrı kutulara bir ölçek kullanarak dökün.
        NOT : Karışımlar, karıştırma kabının alt yüzeyini çizmeden bir metal veya cam çubukla iyice karıştırılmalıdır. Karışım kabarcıklar ile birleşecektir.
      5. Her iki kapları vakum odasına yerleştirin. Basıncını 30 dakika boyunca 100 mbar'a düşürün. Vakum ayırın ve kutuları çıkartın. Kullanıma kadar muhafaza edin.
      6. Isı plakasını 40 ° C'ye ısıtın. Sıcak tabağa MB-PDMS ve Ni-PDMS içeren kapları yerleştirin. Her kutuyu örtün ve bir gecede pişirin.
        NOT : Kullanana kadar bir kapakla saklayın.
    3. Biorobot montajı.
      1. Ni-P'den her biorobot boyutuna göre boyutların biorobot bazlarını kesinDMS ve MB-PDMS tıraş bıçağı kullanarak. Baz tasarımları için Şekil 2b-2d'ye bakın.
        NOT: Ni-PDMS'nin kalınlıkları 1,5 mm'dir ve MB-PDMS'in kalınlıkları 3,5 mm'dir.
      2. Tabanları banda bastırıp çıkararak yüzeydeki kirleticileri çıkarmak için biorobot tabanlarının tüm yüzeylerini temizleyin. Her iki taraf için de tekrarlayın.
      3. Korona boşaltıcı açın. Arasında bir temiz oda dokusu olan bir metal plaka üzerine yerleştirilen Ni-PDMS tabanının 1 cm üzerine korona boşaltıcı ucunu getirin. Uçu tabana doğru hareket ettirin ve yüzeyi tedavi etmek için 15 saniye devam edin.
        NOT: Korona boşaltıcı ve gofret arasında bir deşarj olmalıdır. Aksi takdirde, deşarj oluşana kadar ucunu yaklaştırın.
      4. Adım 3.1'te oyulmuş bir biorobot tabanının yüzeyini aynı süre için muamele etmek için adım 3.3.3'ü tekrarlayın. Ni-PDMS ile muamele edilen yüzü filmin işlenmiş tarafına yerleştirmek için cımbız kullanın. Cihaz 5 dakika bekletilsin.
        NOT : Bu strona gelecekGly iki bölüm bağlar. Bkz. Şekil 1b4 .
      5. Biorobot konsolun gofretten soyulması ve Ni-PDMS tabanının tabanına yerleştirilmesi için keskin cımbız kullanın. Tüm düzeneği gofretten çıkarmak için cımbız kullanın.
        NOT : Konsol, Ni-PDMS tabanına tutturulacaktır. Şekil 1b-5 ve b-6 bunu tasvir etmektedir.
      6. MB-PDMS tabanının üstünde küçük bir damla kürlenmemiş PDMS (sertleştirici ajana 10: 1 baz) yerleştirin. Sertleşmemiş PDMS ile Ni-PDMS'nin yanını ince film PDMS ile MB-PDMS üzerine yerleştirmek için cımbız kullanın. Montajı plastik bir petri kabına koyun ve sonra gece boyunca çalkalamak için 40 ° C'de bir ocak gözüne koyun.
        NOT: Şekil 1b-7 nihai aygıtı tasvir etmektedir.

    4. Cihazların İşlevselleştirilmesi

    NOT : Aşağıda, hücre tohumlaması için cihaz hazırlama işlemi açıklanmaktadır.

    1. HazırlıkGerekli materyaller:% 10 Fetal Sığır Serumu (FBS) ve% 1 Penisilin antibiyotiği (DMEM komple) ile takviye edilmiş Fibronektin çözeltisi (50 ug / mL), Fosfat Tampon Tuz çözeltisi (PBS), Dulbecco Modifiye Kartal Ortamı (DMEM).
    2. Bir T-25 kültür şişesinin (şişe dik dururken alt yüzey) merkezine 100 mcL fibronektin solüsyonu yerleştirin. Her cihaz için ayrı şişeler hazırlayın.
    3. Biorobotu veya biyolojik aktüatörü fibronektin solüsyonunun damlacıklarının üzerine indirin. Konsolun açıldığından ve damla içine daldığından emin olun. 37 ° C'de 30 dakika inkübe edin.
    4. Kuluçkadan sonra, fibronektin solüsyonunu çıkarın ve iki kez PBS ile yıkayın.
    5. PBS'yi çıkarın ve şişeyi 10 mL DMEM ile doldurun. PDMS'nin gazının alınmasını kolaylaştırmak için 37 ° C'de 1 saat inkübe edin. Biorobotları 10 mL'lik medyum içine batırmak için, cihazın şişesinin altında tutması için bir mıknatıs kullanın. Şişeyi sam ile yerleştirinKabarcıkları çıkartmak için 5 dakika süreyle bir ultrasonik banyoda kurutun.
      NOT : Kuluçka döneminde, PDMS yüzeyinde hava kabarcıkları oluşur ve buraya gaz giderme denir. Biorobot montajında ​​kullanılan Ni-PDMS manyetiktir. Biyolojik harekete geçiricinin mıknatısa ihtiyacı yoktur, çünkü cam boncuk ağırlığı nedeniyle balonun tabanında kalacaktır. Biorobot veya biyolojik tahrik düzeneği şimdi tohumlama için hazır, ki bu bölüm 2'de ayrıntılı olarak açıklanıyor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Biyolojik aktüatör ve biorobot, biyolojik aktüatörün doğal bir uzantısı olan biorobot'la ( Şekil 1 ) çok benzer üretim proseslerine sahiptir. Biyolojik aktüatör, biorobot için gerekli teknikleri oluşturmak, hücreler tarafından üretilen kuvveti analiz etmek ve hücrenin olgunlaşmasını mekanik ve biyokimyasal olarak karakterize etmek için önce geliştirildi; her ikisi de bu iki bölümlü makalenin 2. Bölümünde ayrıntılı olarak açıklanmıştır Son zamanlarda yayınlanan çalışmamızda olduğu gibi 15 .

Aktüatörün yay sabiti değerlendirildi ve kardiyomiyosit tabakasının tam kasılması sırasında konsolun eğrilik yarıçapında büyük bir değişiklik için ayarlandı. Ardından, stabilitesini, hücre tohumlama sırasındaki kontrolü ve hareket kolaylığını göz önüne alarak biorobot'u tasarladık. Başlangıçta, gösterildiği gibi birkaç tasarım seçildi.Şekil 2b-2d'de , hangi özelliklerin tasarım gereksinimlerine en fazla katkıda bulunduğunu değerlendirmek için farklı özelliklere sahiptir. Biorobotlar, kısa, uzun ve geniş konsollarla ve aynı zamanda, aktüatördeki değişikliklerin biorobot işlevi üzerindeki etkisini test etmek için birden çok konsol ile tasarlanmış ve test edilmiştir. Yüzen tabanın farklı boyutlarını da düşündük. Bazın geometrisi, bir yön hareketine neden olacak asimetri oluşturduğu için üçgen olarak korunmuştur.

Biorobotun kararlılığı, tasarım sürecinde kritik bir bileşen oluşturmuştur. Alt MB-PDMS katmanı kararlılık ve manyetik kontrol için kullanılmışken üst MB-PDMS katmanı cihaza yüzme kuvveti sağlamak için kullanılmıştır. Daha yüksek bir yoğunluk nedeniyle, nikelden yapılmış taban tabaka, biorobot'a kendisini dik tutma yeteneği ve dış etkenlere maruz kaldıktan sonra orijinal konumuna dönme yeteneği sağlar; Şekil 3'te gösterilen

Aşağıdaki denklem ortamın yüzeyinin üstündeki biorobotların yüksekliğini tanımlayabilir:
Denklem
Burada H Ni , H Mb , ρ orta , ρ Mb ve ρ Şekil 3b ). Biorobotların yüksekliği, taşıyabileceği maksimum yükü ve istikrarı etkileyen kritik bir faktördür. Tabanda yüklü ilave ağırlık, biorobot'u ortam içine düşürecek ve tabanın daha büyük bir hacmi batacak. Batırılacak ilave hacim, ortamın yoğunluğundan daha düşük bir yoğunluğa sahiptir ve eklenen ağırlığın kaldırılması için ekstra yüzme kuvveti oluşturur. Dolayısıyla, maksimum taşıma yükünü arttırmak için h'yi mümkün olduğunca arttırmamız gerekir. Bununla birlikte, h arttıkça biorobotun kararlılığı da azalacaktır. Maksimum stabilite için taban tabanının ağırlığı mümkün olduğunca düşük olmalıdır. Bununla birlikte, artan h , biorobotun ağırlık merkezini ortamın yakınında veya üstünde olacak ve biorobotu istikrarsızlaştıracaktır. Bu nedenle, ayrıntılı analiz gereklidirBiorobotun taban yapısını değiştirmeden önce stabilite ve maksimum taşıma yükünü eşzamanlı olarak optimize etmek.

Her kompozit tabakanın doğru kalınlığını belirlemek için, Ni-PDMS ve MB-PDMS ile çeşitli karıştırma oranları test edildi. Şekil 3a'da gösterildiği gibi kolayca karışabilecek maksimum ve minimum yoğunluklar MB-PDMS için 0.648 g / cm 3 ve Ni-PDMS için 1.64 g / cm 3 idi . Tüm biorobot yükseklikleri, bir biorobotun herhangi bir eğme açısında geri yüklenme momentinin onu yatay pozisyona geri getirecek kadar güçlü olacağı şekilde tasarlanmıştır. Hidrodinamik sürüklenmeyi azaltmak için üçgen bir şekil kullanıldı. Son boyutlar Şekil 3d'de gösterilmiştir. Şekil 3e'de gösterildiği gibi, bir bilgisayar komut dosyası kullanarak kararlılık sayısal olarak analiz edildi ve iki katmanlı yöntemi kullanarak güçlü bir geri yükleme momenti olduğu kanıtlandı. Malzeme tablosuna ve ek bilgilere bakınızN kullanılan bilgisayar programı için.

Şekil 1
Şekil 1: Biyolojik Aktüatör ve Biorobot'un İmalatı için Proses Akışı. Her bir çizim, biyolojik harekete geçirici ve biorobot üretimi için protokol bölümleri 2 ve 3'deki materyal ve yöntemlerdeki basamakları temsil eder. PDMS konsollar spin-kaplama ve lazer gravür ile imal edilmektedir. Daha sonra konsollar, biyolojik aktüatör ( a ) için cam bir boncuk veya biorobot ( b ) için kendi kendine stabilize eden bir yüzen tabla ile sabit bir tabana tutturulur. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2: BoyutlarBu Çalışmada Üretilen Biyolojik Aktüatör ve Biorobotlar ile Biyolojik Aktüatörün ve Çeşitli Biorobot Türlerinin Gravürlenmesi için CAD Dosyaları. ( A ) Biyolojik aktüatör. ( B ) Çift kollu konsol biorobotu. ( C ) Geniş kollu konsol biorobot. ( D ) Tek kollu biorobot. ( E ) Lazer gravür için biyolojik aktüatörün CAD çizimi. ( F ) Lazer gravür için biorobotların CAD çizimi. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 3
Şekil 3: Ni-PDMS ve MB-PDMS için Yoğunlukların Karıştırılması ve Biorobotların Stabilitesi. ( A ) Karışım oranları ve elde edilen yoğunluklar. ( B ) Yoğunluk ve yükseklikMedyayla bağlantılı olarak üsler. ( C ) Eğilirken biorobotun dönüşü ve restorasyonu. Ağırlık merkezi (CG) ile yüzdürme merkezi (CB) arasındaki yanlış hizalanma dönen bir moment oluşturur. Bu an ya biorobot'u yeniler ya da daha da eğmene neden olur. ( D ) Tek kol biorobotun milimetre cinsinden boyutları. ( E ) Tek katmanlı (MB-PDMS) karşı iki katman (Ni-PDMS ve MB-PDMS) kullanarak (b) 'de eğilme koşulları altında kısım (c)' de gösterilen tek kol biorobot için geri yükleme kuvveti simüle edildi. Grafik, tek katmanlı biorobotun 45 ° üzerinde eğilmiş olması durumunda kendini geri yükleyemeyeceğini, buna karşılık çift katmanlı biorobotun biorobot dik tuttuğu her zaman olumlu geri yükleme kuvvetine sahip olacağını gösteriyor. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Çeşitli yüzme mekanizmaları, sudaki yüzücüler arasında görülebilir 16 . Bu çalışmada biorobotun hareket mekanizması yüzgeç-tabanlı hareket, özellikle ostra sklerom hareket kullanmaktadır. Ostra skilli yüzücüler, bir kuyruk (konsol) sallayıp katı bir gövdeye (katmanlı taban) sahip olarak kendilerini zorlarlar 16 . Boxfish ve cowfish gibi balıklar bu lokomotion türlerini kullanırlar. Ostra skilli yüzücüler genellikle yavaştır ve verimsiz vücut boyutlarına sahiptir. Ostra skil yüzme hızı düşük olmasına rağmen, bu yüzme biçimi mühendislerin taban veya gövde üzerinde çeşitli işlevleri (dinamik stabilite gibi) uygulamalarına olanak tanır. Bu çalışmada geliştirilen biorobot tasarımı, hareket ettirme mekanizması olarak kendinden tahrikli bir konsolun bulunduğu şamandıranın ve kararlılığın sağlam bir temelini temel almaktadır. Bu çalışmada biorobotun imalatında en önemli adımlardan biri, kantini oluşturmak için ince film PDMS ve lazer gravür işlemidirKol. Temiz konsol olmadan, doğru esneklik için PDMS, doğru kalınlık (yay sabiti için) ve boyutlar (hareket oluşturmak için kardiyomiyositlerin konfluent yapışması için yeterli alanı olan), biorobot çalışmaz. Dahası, kardiyomiyosit eklenmesi için uygun bir yüzey yaratmak için ultrasonikasyon ile konsol yüzeyinden tüm kabarcığı çıkarmak da gereklidir.

Gelişmiş PDMS kompozit materyalleri, MB-PDMS ve Ni-PDMS, dalgıç derinliği tam olarak kontrol etmek ve biorobotların dinamik stabilitesini başarıyla üretmek için kullanılabilir. Bu malzemelerin kütle yoğunluğu, Şekil 3a'da gösterildiği gibi ince ayarlanabilir. Dahası, bu malzemeler son çalışmalarımızda gösterdiğimiz gibi, kardiyomiyositlerin olgunlaşması ve kontraksiyonu üzerinde herhangi bir olumsuz etki göstermez 15 . Dolayısıyla, gelişmiş malzemeler kendiliğinden dengelenen ve kayan bir yapıyı uygulamak için yaygın bir şekilde kullanılabilirBiorobotlar ve diğer uygulamalar için.

Mevcut protokol kendi kendine stabilize eden bir yüzme biorobotu inşa edebilmesine rağmen, birkaç sınırlamaya sahiptir. Birincisi, konsol elle gofretten soyulduğunda, konsol, işlem sırasında deforme olabilir ve biorobot performansının tekrarlanabilirliği etkilenir. Bu, kirişin gofretten kolayca çıkarılabilmesi için, foto rezistör tabakası yerine suda eriyen bir kurutucu tabakanın kullanılması ile halledilebilir; Daha büyük konsollar daha yüksek güç için de kullanılabilir. İkincisi, işlem çoğunlukla manuel operasyonlara dayanır. Üretim prosedürü, daha yüksek verim için aerodinamik olabilir. Örneğin, kardiyomiyosit ekim dahil olmak üzere montaj işlemi, onu ayrı ayrı cihaz seviyesi yerine bir gofret seviyesinde yürütmek üzere modifiye edilebilir. Son olarak, biorobot'un üçgen tabanının şekli yüzmenin yönelimini ve stabilitesini arttırmak için optimize edilebilir.

<Yaşayan kas hücrelerinin ürettiği enerjiyi kullanan Biorobotlar, geleneksel tamamen yapay robotlara alternatif olarak büyük ilgi uyandırıyor. Bu protokol, yumuşak litografi ve biyo-MEMS teknikleri kullanarak kendinden dengeli bir yüzme biorobotu üretmektedir. Özel tasarım daha da rafine edilebilir. Operatörün etkinliği, konsol yüzeyindeki kardiyomiyositlerin hizalama ipuçlarını desenleyerek arttırılabilir. Bu, hücre yönlendirmesini teşvik edecek ve cariomyozitlerin kuvvet oluşumunu artıracak 17 . Senkronize kasılmalardaki net kuvveti daha da artırmak için boyutlar farklı olabilir veya birden fazla konsol kolu tutturulabilir. Daha önce tarif edildiği gibi, çok katmanlı taban, biorobotun medya yüzeyinin üzerinde yüksekliğinin ayarlanmasına izin verir. Bu maksimum taşıma yükünü ve kararlılığı belirler. Ayrıca, konsolda iletken materyallerin yerini alabilir veya ilave edebiliriz.Elektrik stimülasyonunu kolaylaştırır. Elektrik stimülasyonu, hücrelerin büzülme hızını ve biorobotların hızını kontrol etmek için kullanılabilir. Sunulan yöntemlerin, küçük paket teslimatı gibi uygulamalar için yüksek verimli biorobotlar geliştirmek için kullanılabileceğine inanıyoruz.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların ifşa edecekleri bir şeyleri yok

Acknowledgments

MT Holley, Regents Louisiana Board of Graduate Fellows programı tarafından desteklenmekte ve C. Danielson, Howard Hughes Tıp Enstitüsü Profesör Programı tarafından desteklenmektedir. Bu çalışma NSF Grant No: 1530884 tarafından desteklenmektedir. Yazarlar, İleri Mikro Yapı ve Cihazlar Merkezi'ndeki (CAMD) temiz oda desteğine teşekkür etmek istemektedirler.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Polydimethylsiloxane (PDMS) Dow Corning 184 sil elast kit  0.5kg Sylgard 184
Nickel Powder Sigma-Aldrich 266981-100G
Phenolic microballoons US Composites BJO-0930
Silicon wafers 4 inch diameter
PWM101 light-duty spinner Spin- coater
Positive photoresist (S1808) Dow Corning DEM-10018197
Hotplate
Vacuum chamber
M206 mechanical convection oven Convection oven
Laser engraver Universal Laser System VLS2.30 Utilizes a 10 W, 10.6 µm wavelength, CO2 Laser
Universal Laser Systems Application Universal Laser System Application for running the VLS 2.30
Matlab MathWorks Numerical analysis program
Scotch Tape Scotch Brand
Solid-glass beads Sigma-Aldrich Z265926-1EA Soda-lime glass, diameter 3 mm
Scale Mettler Toledo EL303
BD-20AC Laboratory Corona Treater Electrotechnic Products 12051A Corona Discharger
Ultrasonic Bath 1.9 L Fisher Scientific 15-337-402 40 kHz industrial transducer
Fibronectin from bovine plasma Sigma-Aldrich F1141
Dulbecco’s Phosphate Buffer (PBS) Sigma-Aldrich D1408-100ML
Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) Hyclone Laboratories 16750-074 With 4500 mg/L glucose, 4.0 mM L-glutamine, and 110 mg/L sodium pyruvate.
Fetalclone III serum Hyclone Industries, GE 16777-240 Fetal bovine serum
Penicillin-G sodium salt Sigma-Aldrich P3032

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Williams, B., Anand, S., Rajagopalan, J., Saif, M. A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number. Nat commun. 5, (2014).
  2. Nawroth, J., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nat Biotechnol. 30 (8), 729-797 (2012).
  3. Huge Herr,, D, A swimming Robot Actuated by Living Muscle Tissue. J Neuroeng. Rehabil. 1, (2004).
  4. Park, S., al, el Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
  5. Chan, V., Park, K., Colleens, M., Kong, H., Saif, T., Bashir, R. Development of miniaturized walking biological machines. Sci. Rep. 2, 857 (2012).
  6. Cvetkovic, C., et al. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle. PNAS. 111, 10125-10130 (2014).
  7. Xi, J., Scmidt, J., Montemagno, C. Self-assembled microdevices driven by muscle. Nat. Mater. 4, 180-184 (2005).
  8. Kim, J., et al. Establishment of a fabrication method for a long-term actuated hybrid cell robot. Lab Chip. 7, 1504-1508 (2007).
  9. 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).
  10. Park, J., et al. Micro pumping with cardiomyocyte-polymer hybrid. Lab Chip. 7, 1367-1370 (2007).
  11. Akiyama, Y. Atmospheric-operable bioactuator powered by insect muscle packaged with medium. Lab Chip. 13, 4870-4880 (2013).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Vannozi, L., et al. Self-assembly of polydimethylsiloxane structures from 2D to 3D for bio-hybrid actuation. Bioinspiration Biomimetics. 10 (5), (2015).
  15. 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).
  16. Sfakiotakis, M., Lane, D., Davies, J. Review of fish swimming modes for aquatic locomotion. IEEE J. Oceanic Eng. 24, 237-252 (1999).
  17. 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).

Tags

Biyomühendislik Sayı 125 kardiyomiyosit biyolojik harekete geçirici biorobot hücre kontraksiyonu yüzey gerilmesi konsol
Kardiyak Kas hücresine Dayalı Aktüatör ve Kendiliğinden Sertleşen Biorobot - BÖLÜM 1
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Holley, M. T., Nagarajan, N.,… More

Holley, M. T., Nagarajan, N., Danielson, C., Zorlutuna, P., Park, K. Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1. J. Vis. Exp. (125), e55642, doi:10.3791/55642 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter