В этом исследовании биологический актуатор и самостабилизирующийся плавательный биоробот с функционализированными эластомерными кантилеверными рукавами высеиваются с кардиомиоцитами, культивируются и характеризуются их биохимическими и биомеханическими свойствами с течением времени.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Мышцы на основе сердечной мышцы и самостабилизирующий биоробот - часть 2
* These authors contributed equally
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
В последние годы были разработаны гибридные устройства, которые состоят из живой клетки или тканевого компонента, объединенного с синтетической механической основой. Эти устройства, называемые биороботами, питаются исключительно силой, создаваемой сократительной активностью живого компонента, и, благодаря их многочисленным присущим преимуществам, могут быть альтернативой обычным полностью искусственным роботам. Здесь мы расскажем о методах проращивания и характеризации биологического актуатора и биоробота, который был спроектирован, изготовлен и функционализирован в первой части этой статьи из двух частей. Изготовленные биологические приводы и устройства биоробота, состоящие из основания полидиметилсилоксана (PDMS) и тонкопленочного кантилевера, были функционализированы для прикрепления клеток фибронектином. После функционализации неонатальные кардиомиоциты крысы высевали на консоль PDMS с высокой плотностью, что приводило к образованию конфлюэнтного листа клеток. Устройства отображались каждый день, и движение кантиБыло проанализировано плечо рычага. На второй день после посева мы наблюдали изгиб консольных рычагов из-за сил, оказываемых клетками во время спонтанных сокращений. При количественном анализе изгиба кантилевера наблюдалось постепенное увеличение поверхностного напряжения, оказываемого клетками по мере их созревания во времени. Аналогично, мы наблюдали движение биоробота из-за приведения консольного рычага PDMS, который действовал как плавник. При количественном определении плавательных профилей устройств наблюдались различные двигательные моды, на которые влиял угол покоя плавника. Направление движения и частота биений также определялись углом покоя плавника, и наблюдалась максимальная скорость плавания 142 мкм / с. В этой рукописи мы описываем процедуру заполнения сфабрикованных устройств кардиомиоцитами, а также оценки активности биологического актуатора и биоробота.
Введение
Биороботы - это устройства, основанные на живых клетках, которые встроены в механическую основу, которая обычно состоит из мягких эластичных материалов, таких как PDMS или гидрогели 1 . Клетки подвергаются ритмическим сокращениям, либо спонтанно, либо в ответ на стимулы, и, таким образом, функционируют как исполнительный механизм. Мощность, вырабатываемая при сокращении клеток, приводит в действие различные биороботы. Млекопитающие клетки сердца (кардиомиоциты) и скелетные мышечные клетки часто используются для активации биоробота из-за их сократительных свойств. Помимо кардиомиоцитов и скелетных мышечных клеток были использованы другие типы к....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
Все описанные здесь процедуры были выполнены с использованием утвержденного протокола и в соответствии с положениями Комитета по институциональному уходу и использованию животных Университета Нотр-Дам.
1. Клеточное поселение и культура
- Перед началом подготовьте необходимые предметы: небольшую воронку, пипетки и теплую модифицированную по Дульбекко среду Игла (DMEM), дополненную 10% фетальной бычьей сывороткой (FBS) и 1% антибиотика пенициллина (полная DMEM).
- Возьмите колбы Т-25 вместе с функционализированным устройством (биологическим приводом или биороботом) внутри него. Обратитесь к разделу 4 части 1 этой двухчастно....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Биологический исполнительный механизм, выполненный из тонкого кантилевера PDMS (толщиной 25 мкм) и кардиомиоцитов, составляет ядро плавательного биоробота, как показано на схеме и скриншоте устройств на рисунке 1 . Клетки начинают проявлять схватки через 24 часа в культуре, а изгиб консольных рычагов наблюдался к дню 2. Боковой профиль устройства регистрировался каждый день, и поверхностное напряжение определялось количественно из изгиба консольных рычагов с использова.......
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Процедура, описанная здесь, описывает успешный метод высева для приводов и биороботов на основе PDMS, который облегчает прикрепление кардиомиоцитов. Кроме того, описан процесс получения изображений и последующий анализ, который характеризует поведение ячеек и производительность устройств.
Мы наблюдали спонтанное сокращение клеток на консольных руках через 24 часа; Интенсивность схваток продолжала неуклонно расти с течением времени и достигла максимума на 6-й день, после чего интенсивность ум.......
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторам нечего раскрывать.
Благодарности
MT Holley поддерживается программой Graduate Fellows Совета регентов штата Луизиана, а К.Дениэлсона поддерживает программа профессоров Медицинского института Ховарда Хьюза. Это исследование поддерживается грантом NSF № 1530884.
....Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| <сильно>Химические вещества и реагенты | |||
| Кардиомиоциты (первичные сердечные клетки) | Чарльз Ривер | Н.А | Выделен из 2-дневного новорожденного крыса Sprague Dawley |
| Dulbecco' s модифицированный орел» s media (DMEM) | Hyclone Laboratories | 16750-074 | с 4500 мг/л глюкозы, 4,0 мМ L-глутамина и 110 мг/л пирувата натрия |
| Fetalclone III сыворотка | Hyclone industries, GE | 16777-240 | Фетальная бычья сыворотка (FBS) |
| Dulbecco' s фосфатный буфер (PBS) | Sigma-Aldrich | D1408-100ML | |
| Пенициллин-G натриевая соль | Sigma-Aldrich | P3032 | |
| Козья сыворотка | Sigma-Aldrich | G9023 | |
| 4,6-диамидино-2-фенилиндола дигидрохолрид порошок (DAPI) | Sigma-Aldrich | D9542 | |
| Фибронектин из бычьей плазмы | Sigma-Aldrich | F1141 | Раствор (1 мг/ ml) |
| Набор гомодимер-1 кальцеина-AM и этидия (анализ живого/мертвого вещества) | Молекулярные зонды | L3224 | |
| Fluo-4 кальция, | молекулярные зонды | AM F14217 | краситель для индикатора кальция |
| Раствор соли Тиродса Раствор соли | Sigma-Aldrich | T2397 | |
| Молекулярные зонды | Pluronic F-127 | P3000MP | раствор неионогенного поверхностно-активного вещества-20 % в диметилсилоксане (ДМСО) |
| 16% Парафомальдегид | Электронная микроскопия | 15710 | Внимание: Раздражающее и горючее вещество |
| Triton x-100 | Sigma-Aldrich | X-100 100 мл | клетки лизирует детергент, (4-(1,1,3,3-тетраметилбутил)фенил-полиэтиленгликоль, т-октилфеноксиэтоксиэтанол, полиэтиленгликоль трет-октилфениловый эфир) |
| Пролонг золотой реагент против выцветания | Молекулярные зонды | P10144 | Монтажный агент |
| Alexa Fluor 594 Фаллоидин | Молекулярные зонды | A12381 | Актин филамент маркер |
| козы против кролика IgG (H+L) вторичное антитело, Alexa Fluor 594 конъюгат | Молекулярные зонды | A-11012 | |
| pha | Молекулярные зонды | A-11001 | |
| Анти-коннексин 43 антитело | Abcam | ab11370 | Маркер щелевого перехода |
| Антисердечный тропонин I антитело | Abcam | ab10231 | Сократительный белок |
| 16% раствор параформальдегида класса ЭМ | Электронная микроскопия | 100503-916 | |
| Полидиметилсилоксан (PDMS) | Elsevier | Sylgard 184 | |
| >Материалы и оборудование | |||
| Camera | Thor Labs | DCC1545M | |
| светодиодный свет полоса | NA NA | Любой белый светодиод без излучения спектра | |
| Конфокальный микроскоп | Nikkon C2 | NA | Конфокальный микроскоп с тремя комплектами фильтров. |
| Зум-объектив | Infinity | Model# 252120 | |
| Software | |||
| Matlab | Mathworks | NA | Используется в разделе 4) для анализа биологических актуаторов. |
| Image J | National Institute of Health | NA | Программное обеспечение для обработки изображений на основе Java. Используется в разделе 5) для анализа биороботов. Бесплатное программное обеспечение для обработки и анализа изображений на Java. (https://imagej.nih.gov/ij/) |
| Thor Cam | обеспечение для управления камерой | Thor Labs | NA |
Ссылки
- Feinberg, A. W. Biological Soft Robotics. Annu. Rev. Biomed. Eng. 17, 243-265 (2015).
- Akiyama, Y., et al. Room Temperature Operable Autonomously Moving Bio-Microrobot Powered by Insect Dorsal Vessel Tissue. PLOS ONE. 7, 38274(2012).
- Herr, H....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
