Actionneur à base de cellules musculaires cardiaques et Biorobot auto-stabilisant - Partie 2

Neerajha Nagarajan; Merrel T. Holley; Christian Danielson; Kidong Park; Pinar Zorlutuna

doi:10.3791/55643

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Article de méthode

Actionneur à base de cellules musculaires cardiaques et Biorobot auto-stabilisant - Partie 2

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DOI :

10.3791/55643

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9 mai 2017

Neerajha Nagarajan^*¹ , Merrel T. Holley^*² , Christian Danielson² , Kidong Park^*² , Pinar Zorlutuna^*¹

¹Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Bioengineering Graduate Program, University of Notre Dame, ²Division of Electrical and Computer Engineering, Louisiana State University

^* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

Dans cette étude, un actionneur biologique et un biorobot de stabilisation auto-stabilisable avec des bras en porte-à-faux élastomères fonctionnalisés sont ensemencés avec des cardiomyocytes, cultivés et caractérisés pour leurs propriétés biochimiques et biomécaniques au fil du temps.

Résumé

Au cours des dernières années, des dispositifs hybrides constitués d'une cellule vivante ou d'un composant tissulaire intégré à un squelette mécanique synthétique ont été développés. Ces appareils, appelés biorobots, sont alimentés uniquement par la force générée par l'activité contractile du composant vivant et, en raison de leurs nombreux avantages inhérents, pourrait être une alternative aux robots conventionnels entièrement artificiels. Ici, nous décrivons les méthodes de semence et de caractérisation d'un actionneur biologique et d'un biorobot qui a été conçu, fabriqué et fonctionnalisé dans la première partie de cet article en deux parties. L'actionneur biologique fabriqué et les dispositifs de biorobot composés d'une base de polydiméthylsiloxane (PDMS) et d'un cantilever à film mince ont été fonctionnalisés pour la fixation de cellules avec la fibronectine. Après la fonctionnalisation, les cardiomyocytes néonatals de rat ont été ensemencés sur le bras en porte-à-faux PDMS à haute densité, ce qui a donné lieu à une feuille cellulaire confluente. Les appareils ont été imagés tous les jours et le mouvement du cantiLes bras de levier ont été analysés. Le deuxième jour après l'ensemencement, nous avons observé la flexion des bras en porte-à-faux en raison des forces exercées par les cellules pendant les contractions spontanées. Lors de l'analyse quantitative de la flexion en porte-à-faux, une augmentation graduelle du stress superficiel exercée par les cellules au fur et à mesure de leur maturation au cours du temps a été observée. De même, nous avons observé le mouvement du biorobot en raison de l'actionnement du bras en porte-à-faux PDMS, qui a agi comme une aileron. Lors de la quantification des profils de natation des dispositifs, on a observé différents modes de propulsion qui ont été influencés par l'angle de repos de la nageoire. La direction du mouvement et la fréquence de battement ont également été déterminées par l'angle de repos de l'aileron et une vitesse de nage maximale de 142 μm / s a été observée. Dans ce manuscrit, nous décrivons la procédure pour peupler les dispositifs fabriqués avec des cardiomyocytes, ainsi que pour l'évaluation de l'actionneur biologique et de l'activité de biorobot.

Introduction

Les Biorobots sont des dispositifs basés sur des cellules vivantes qui sont incorporées dans un squelette mécanique qui est habituellement composé de matériaux doux et élastiques tels que PDMS ou hydrogels ¹ . Les cellules subissent des contractions rythmiques, soit spontanément, soit en réponse à des stimuli, et fonctionnent ainsi comme actionneur. La puissance générée par la contraction des cellules entraîne différents biorobots. Les cellules cardiaques de mammifères (cardiomyocytes) et les cellules musculaires squelettiques sont souvent utilisées pour l'actionnement de biorobot en raison de leurs propriétés contractiles. Outre les cellu....