Summary
يتم تصنيع سقالة مستوحاة من الحيوية بواسطة تقنية الطباعة الحجرية الضوئية الناعمة باستخدام هيدروجيلات ميكانيكية قوية وموصلة كهربائيا. توفر الهيدروجيلات المجهرية محاذاة خلايا القلب الخلايا الاتجاهية ، مما يؤدي إلى اتجاه مصمم خصيصًا للتنشيط. كما يتم دمج الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة في السقالة لجلب إمكانية التحكم الكهربائية لأنسجة القلب ذاتية التشغيل.
Abstract
الأنظمة الروبوتية الناعمة المستوحاة من الحيوية التي تحاكي الكائنات الحية باستخدام الأنسجة العضلية المهندسة والمواد الحيوية تحدث ثورة في النموذج الحالي للروبوتات الحيوية ، خاصة في البحوث الطبية الحيوية. إن إعادة إنشاء ديناميكيات تشغيل اصطناعية تشبه الحياة أمر بالغ الأهمية لنظام روبوتي ناعم. ومع ذلك ، فإن التحكم الدقيق وضبط سلوك المحرك لا يزال يمثل أحد التحديات الرئيسية للأنظمة الروبوتية الناعمة الحديثة. تصف هذه الطريقة إجراء منخفض التكلفة وقابل للتطوير للغاية وسهل الاستخدام لتصنيع روبوت ناعم يمكن التحكم فيه كهربائيًا بحركات تشبه الحياة يتم تنشيطها والتحكم فيها من خلال تقلص أنسجة عضلة القلب على لدغة دقيقة سقالة هيدروجيل تشبه الأشعة. استخدام الأساليب الفوتوليثوغرافية الناعمة يجعل من الممكن لدمج مكونات متعددة بنجاح في النظام الروبوتي لينة، بما في ذلك السقالات الهيدروجيل المصممة micropatterned مع الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) جزءا لا يتجزأ من ميثاكريليل الجيلاتين (CNT-GelMA)، بولي (جلايكول الإيثيلين) diacrylate (PEGDA)، والذهب المرن (Au) microelectrodes، والأنسجة العضلية القلبية. على وجه الخصوص ، تم تصميم محاذاة الهيدروجيلووووبلوميكرومليكل لتقليد بنية العضلات والغضاريف للشعاع اللاذع. يعمل هيدروجيل CNT-GelMA الموصل كهربائيًا بمثابة سقالة خلية تعمل على تحسين سلوك النضج والانكماش في خلايا القلب ، في حين يوفر HYDROGel PEGDA القوي ميكانيكيًا دعمًا هيكليًا يشبه الغضاريف للروبوت الناعم بأكمله. للتغلب على الطبيعة الصعبة والهشة للأقطاب الكهربائية الدقيقة القائمة على المعادن ، قمنا بتصميم نمط ثعبان يتمتع بمرونة عالية ويمكن أن يتجنب إعاقة ديناميكيات ضربات القلب. توفر الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة المدمجة في Au التحفيز الكهربائي عبر الروبوت الناعم ، مما يجعل من السهل التحكم في سلوك انكماش أنسجة القلب.
Introduction
الحديثة للدولة من بين الفن الروبوتات الناعمة يمكن أن تحاكي الهياكل الهرمية وديناميات العضلات من العديد من الكائنات الحية، مثل قنديل البحر1،2،لدغة راي2،الأخطبوط3،البكتيريا4،والحيوانات المنوية5. محاكاة ديناميات والعمارة من النظم الطبيعية يقدم أداء أعلى من حيث كل من الكفاءة النشطة والهيكلية6. ويرتبط هذا ارتباطاً جوهرياً بالطبيعة الناعمة للأنسجة الطبيعية (مثل الجلد أو الأنسجة العضلية مع معامل يونغ بين 104-109 باسكال) الذي يسمح بدرجات أعلى من الحرية والتشوه العالي والقدرة على التكيف بالمقارنة مع المنفعلين الهندسيين القياسيين (على سبيل المثال، معامل يونغ عادة بين 109-1012 باسكال)6. القلب العضلات القائمة على التعمل اللينة، وخاصة، تظهر كفاءة الطاقة متفوقة بسبب التشغيل الذاتي، فضلا عن إمكاناتها للإصلاح الذاتي والتجديد بالمقارنة مع نظام الروبوتية القائمة ميكانيكيا7. ومع ذلك ، فإن تصنيع الروبوتات الناعمة يمثل تحديًا بسبب ضرورة دمج مكونات مختلفة ذات خصائص فيزيائية وبيولوجية وميكانيكية مختلفة في نظام واحد. فعلى سبيل المثال، يلزم أن تتكامل النظم الاصطناعية المهندسة مع النظم البيولوجية الحية، لا أن توفر لها الدعم الهيكلي فحسب، بل أيضا التأثير على سلوكها المنفّز وتحويره. وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب العديد من أساليب التصنيع الدقيق عمليات قاسية/سامة للخلايا والمواد الكيميائية التي تقلل من جدوى ووظيفة أي مكونات حية. لذلك ، هناك طرق جديدة ضرورية لتعزيز وظائف الروبوتات الناعمة والتحكم في سلوكها وتحويره.
لدمج المكونات الحية بنجاح مع قابلية جيدة للحياة ، فإن السقالة القائمة على الهيدروجيل هي مادة ممتازة لإنشاء جسم روبوت ناعم. يمكن بسهولة ضبط الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لـ hydrogel لإنشاء بيئات دقيقة للمكونات الحية مثل أنسجة العضلات8و9. أيضا، فإنه يمكن بسهولة اعتماد تقنيات microfabrication المختلفة، مما أدى إلى إنشاء هياكل هرمية مع دقة عالية1،2،10. يمكن دمج الأجهزة الإلكترونية المرنة في الروبوت الناعم للتحكم في سلوكه مع التحفيز الكهربائي. على سبيل المثال ، تم استخدام تقنيات البولوجيل لهندسة الخلايا الكهروجينية (على سبيل المثال ، خلايا القلب ) ، والتي تظهر تنشيطًا إلوفيزيولوجيًا يعتمد على الضوء ، لتطوير شعاع اللدغة اللين ة اللين القائم على polydimethylsiloxan (PDMS) الموجه بالضوء الذي كان قادرًا على إعادة الحركة اللادسيدية للأسماك في المختبر2. على الرغم من أن التقنيات البوجينية أظهرت إمكانية تحكم ممتازة ، فإن العمل المعروض يستخدم التحفيز الكهربائي ، وهو أسلوب محاكاة تقليدي وتقليدي. وذلك لأن التحفيز الكهربائي عبر الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة سهل وبسيط مقارنة بالتقنيات الراجعة الجينية ، والتي تتطلب عمليات تطوير واسعة النطاق11. استخدام الأجهزة الإلكترونية المرنة يمكن أن تسمح لتحفيز على المدى الطويل وعمليات التصنيع القياسية / البسيطة، فضلا عن التوافق الحيوي غير قابل للعجز والخصائص الفيزيائية والميكانيكية12،13.
هنا ، نقدم طريقة مبتكرة لتصنيع روبوت ناعم مستوحى من الحيوية ، يعمل بضرب أنسجة عضلة القلب المهندسة ويتم التحكم فيه عن طريق التحفيز الكهربائي من خلال أقطاب Au الدقيقة المرنة المضمنة. تم تصميم الروبوت لينة لتقليد العضلات والغضاريف هيكل الشعاع اللاذع. الشعاع اللاذع هو كائن حي مع هيكل سهل نسبيا لتقليد والحركة بالمقارنة مع أنواع السباحة الأخرى. يتم إعادة إنشاء العضلات في المختبر عن طريق زرع خلايا القلب على ميكروجيل موصل كهربائيا. كما ذكر سابقا، ودمج الجسيمات النانوية موصل كهربائيا مثل CNT في هيدروجيل GelMA ليس فقط يحسن اقتران الكهربائية من الأنسجة القلبية، ولكن أيضا يحفز ممتازة في هندسة الأنسجة المختبرية والترتيب8،9. ثم يتم محاكاة مفاصل الغضاريف باستخدام نمط هيدروجيل PEGDA قوي ميكانيكياً يعمل كركيزة قوية ميكانيكياً للنظام بأكمله. يتم تضمين الأقطاب الميكروكهربائية Au المرنة ذات النمط الثعباني في نمط PEGDA لتحفيز أنسجة القلب محليًا وكهربائيًا.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
وقد أجريت هذه الدراسة وفقا ً للتوصيات الواردة في دليل رعاية واستخدام الحيوانات المختبرية للمعاهد الوطنية للصحة. تمت الموافقة على البروتوكول من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها (IACUC) في مستشفى بريغهام ومستشفى النساء.
1. جيلما التوليف
- حل 10 غرام من الجيلاتين في 100 مل من محلول سالين فوسفيل (DPBS) باستخدام محرّك مغناطيسي عند درجة حرارة 50 درجة مئوية.
- أضف 8 مل من أنهيدريد ميثاكريليك ببطء أثناء تحريك محلول الجيلاتين ما قبل البوليمر عند درجة حرارة 50 درجة مئوية لمدة ساعتين. تمييع محلول الجيلاتين التفاعل مع DPBS المحمّف مسبقاً عند درجة حرارة 50 درجة مئوية.
- نقل المحلول المخفف إلى أغشية غسيل الكلى (قطع الوزن الجزيئي = 12-14 كيلو دا) ووضعه في الماء المنزوع الأيونات (DI). قم بغسيل الكلى عند 40 درجة مئوية لمدة أسبوع واحد تقريباً.
- قم بتصفية محلول الجيلما ما قبل البوليمر باستخدام فلتر معقم (حجم المسام = 0.22 ميكرومتر) ونقل 25 أو 30 مل من المحلول إلى أنابيب 50 مل وتخزينها عند -80 درجة مئوية لمدة يومين.
- تجميد الجافة المجمدة الجيلMA محلول ما قبل البوليمر باستخدام مجفف تجميد لمدة 5 أيام.
2. إعداد بولي (جلايكول الإيثيلين) diacrylate (PEGDA) محلول ما قبل البوليمر
- حل 200 ملغ (20٪ من الحل الكلي) من PEGDA (MW = 1000) مع 5 ملغ (0.5٪ من الحل الكلي) من 2-هيدروكسي-4-(2-هيدروكسيهيدروكسيكسي)-2-ميثيل بروبيوفينون (البادئ الصورة، PI) في 1 مل من DPBS.
- احتضان محلول ما قبل البوليمر عند 80 درجة مئوية لمدة 5 سنوات.
3. إعداد جيلما المغلفة CNT مشتتة حل الأسهم
- حل 80 ملغ من GelMA (تستخدم كbiosurfactant) في 4 مل من DPBS ثم إضافة 20 ملغ من COOH الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران وظيفية (MWCNTs) في محلول GelMA prepolymer.
- سونيكات المحملة MWCNT الجيلما قبل البوليمر الحل ل1 ساعة (0.66Hz، 100 واط).
ملاحظة: خلال عملية سونيكيشن، يجب أن يكون مغمورة في محلول حمام مائي في ~ 15 درجة مئوية لمنع تبخر المذيبات بسبب ارتفاع في درجة الحرارة.
4. إعداد 1 ملغ / مل CNT تحتوي على 5٪ جيلما محلول ما قبل البوليمر
- حل 50 ملغ من GelMA و 5 ملغ (0.5٪ من الحل الكلي) من PI في 0.8 مل من DPBS في 80 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
- إضافة 0.2 مل من حل الأسهم CNT المعدة (الخطوة 3). دوامة واحتضان الحل في 80 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
5. إعداد 3-(ثلاثي ميثوكسيسيل) بروبيل ميثاكريلات (TMSPMA) المغلفة شريحة الزجاج
- غسل الشرائح الزجاجية (سمك = 1 ملم، حجم = 5.08 سم × 7.62 سم) مع الإيثانول النقي.
- قم بتكديس الشرائح النظيفة رأسيًا في كوب 250 مل وانتشر 3 مل من TMSPMA فوقها باستخدام حقنة. تغطية الكأس مع رقائق الألومنيوم لمنع تبخر TMSPMA.
- احتضان الشرائح في فرن 80 درجة مئوية لمدة يوم واحد.
- غسل الشرائح الزجاجية المغلفة عن طريق غمس لهم في الإيثانول النقي، ثم تجف.
- تخزين الشرائح الزجاجية المغلفة ملفوفة في رقائق الألومنيوم في درجة حرارة الغرفة (RT).
ملاحظة: حاول تقليل لمس أسطح الشرائح الزجاجية المغلفة بـ TMSPMA.
6. تصنيع أقطاب الاتحاد الافريقي مرنة
- تصميم قناع الظل باستخدام تصميم بمساعدة الكمبيوتر(الملف التكميلي 3).
- تلفيق وشراء قناع الظل.
- غسل الشريحة الزجاجية (سمك = 1 ملم، حجم = 3 سم × 4 سم) مع الأسيتون والجافة مع بندقية الهواء المضغوط.
- إرفاق قناع الظل إلى ركائز الزجاج باستخدام الشريط المزدوج من جانب، ثم وضعها في المبخر E-شعاع والانتظار حتى ضغط الغرفة تصل إلى ما لا يقل عن10-6 تور.
ملاحظة: تم وضع قطعتين من الشريط يدوياً على الدعم على مسافة قصيرة بما يكفي لاستضافة الزجاج وكبيرة بما يكفي لتناسب نمط كامل. تستغرق هذه الخطوة حوالي 45-60 دقيقة. - إيداع 200 نانومتر سميكة طبقة الاتحاد الافريقي بواسطة E-شعاع المبخر (على سبيل المثال، مع دنتون EE-4، فراغ =10-6 تور، السلطة = 2.6٪، معدل = 2 Å /s) وقطع microelectrodes ملفقة باستخدام آلة منشار مكعبات (حجم الأقطاب الكهربائية = 7.38 ملم × 8.9 ملم × 200 نانومتر).
7. تصنيع سقالة هيدروجيل micropatterned micropatterned Au المتكاملة
ملاحظة: نتيجة هذا الإجراء هو غشاء حيث هيدروجيل PEGDA micropatterned هو في الطبقة السفلية، وmicropatterned CNT-GelMA هيدروجيل هو على القمة، والاتحاد الافريقي microelectrodes هي بين طبقتين. يضمن هذا التكوين مرونة أفضل للقطب الكهربائي ويحد من خطر الكسر.
- تصميم وتصنيع اثنين من أقنعة ضوئية لإنشاء MICROpatterned PEGDA (1st photomask) وCNT-GelMA هيدروجيل (2قناع ضوئي) طبقات. انظر الملف التكميلي 2-3. ويمكن القيام به تصميم باستخدام برنامج كندي.
ملاحظة: انظر الشكل 2B, E. - ضع الفواصل 50 ميكرومتر التي أدلى بها التراص طبقة واحدة من الشريط غير مرئية التجارية (سمك: 50 ميكرون) على الزجاج المغلفة TMSPMA. صب 15 ميكرولتر من 20٪ من محلول ما قبل البوليمر PEGDA على رأس الزجاج المغلفة TMSPMA، ثم تغطية مع القطب الصغير الذهب. ضع قناع الضوئي الأول للشريحة الزجاجية (MICROpatterned PEGDA) على رأس القطب الصغير الذهبي وعرّض البناء بأكمله لضوء الأشعة فوق البنفسجية (مصباح قوس بخار بخار الزئبق 200 W مع فلتر 320-390 نانومتر) عند 800 ملي واط من الكثافة ومسافة 8 سم لمدة 110 ث.
ملاحظة: انظر الشكل 1A. - إضافة DPBS لإحاطة الشريحة الزجاجية وفصل hydrogel PEGDA micropatterned جنبا إلى جنب مع الأقطاب الصغيرة Au من الركيزة الزجاجية غير المصقولة بعناية بعد 5-10 دقيقة للحصول على الشريحة الزجاجية التي تحتوي على hydrogel PEGDA micropatterned مع الاتحاد الافريقي أقطاب كهربائية دقيقة.
ملاحظة: انظر الشكل 1B. بسبب طلاء TMSPMA ، يتم نقل البناء من الركيزة الزجاجية غير المصقولة إلى الركيزة المغلفة بـ TMSPMA. فصل بعناية لأن الأقطاب الكهربائية الصغيرة الاتحاد الافريقي يمكن كسر بسهولة خلال هذه الخطوة(الشكل 3). - ضع 100 ميكرومتر من الفواصل التي يتم إجراؤها عن طريق تكديس طبقتين من الشريط الشفاف التجاري (سمك = 50 ميكرومتر) في الجزء السفلي من طبق بيتري. إيداع قطرة من 20 μL CNT-GelMA محلول ما قبل البوليمر بين الفواصل ثم قم بقلب الشريحة الزجاجية التي تم الحصول عليها في 7.3 وأصلحها على الطبق بشريط لاصق.
- قم بتدوير الجهاز رأسًا على عقب ووضع قناع الضوئيالثاني فوق الشريحة الزجاجية. فضح تحت الأشعة فوق البنفسجية في 800 mW من كثافة و8 سم المسافة لمدة 200 ث.
ملاحظة: انظر الشكل 1C. محاذاة القناع 2 المهم. - غسل السقالة التي تم الحصول عليها مع DPBS ومع وسط ثقافة الخلية التي تشمل 10٪ مصل الأبقار الجنين (FBS).
- اتركيها بين عشية وضحاها في حاضنة 37 درجة مئوية قبل بذر الخلايا.
8. الفئران الوليدية cardiomyocytes العزلة والثقافة
- عزل القلوب من الفئران سبراغ-داولي البالغ ة من العمر يومين بعد البروتوكولات التي وافقت عليها لجنة رعاية الحيوان في المعهد8.
- وضع قطع القلب على شاكر بين عشية وضحاها (حوالي 16 ساعة) في 0.05٪ التربسين دون EDTA في HBSS في غرفة باردة.
- جمع قطع القلب مع بندقية ماصة وتقليل كمية التربسين، ثم وضعها في أنبوب 50 مل مع 10 مل من وسائل الإعلام القلبية الدافئة (10٪ FBS، 1٪ P / S، 1٪ L-الجلوتامين).
- دوامة ببطء (~ 60 دورة في الدقيقة) في حمام مائي 37 درجة مئوية لمدة 7 دقيقة. إزالة وسائل الإعلام بعناية من الأنبوب مع 10 مل ماصة وترك قطع القلب في الأنبوب.
- أضف 7 مل من 0.1٪ الكولاجين نوع 2 في HBSS ودوامة في حمام مائي 37 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
- مزيج مع 10 مل ماصة 10x بلطف لتعطيل قطع القلب. إزالة وسائل الإعلام من الأنبوب مع ماصة 1 مل.
- أضف 10 مل من 0.1٪ الكولاجين نوع 2 في HBSS ودوامة بسرعة (~ 120-180 دورة في الدقيقة) في حمام الماء 37 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة، ثم تحقق مما إذا كانت قطع القلب تذوب.
- مزيج مع 10 مل ماصة، ثم كرر مع ماصة 1 مل لكسر قطع القلب الماضي.
- مرة واحدة في حل تبدو متجانسة، ووضع مصفاة خلية 70 ميكرومتر على أنبوب جديد 50 مل وpipette الحل 1 مل في وقت واحد على مصفاة.
- الطرد المركزي حل خلية القلب في 180 × ز لمدة 5 دقيقة في 37 درجة مئوية.
ملاحظة: إذا كان لا يزال هناك بعض قطع القلب أو المخاط الذي لم يذوب، كرر الخطوات 8.7-8.9 مرة أخرى. - إزالة بعناية كل السائل فوق بيليه الخلية وإعادة تعليق الخلايا في 2 مل من وسائل الإعلام القلبية.
- أضف 2 مل من وسائط القلب من جدار الأنبوب بعناية لإعادة تعليق الخلايا وتجنب كسرها.
- أضف الخلايا المعلقة إلى قارورة T175 مع انخفاض وسائط القلب الدافئة عن طريق الإسقاط. وضع قارورة في حاضنة 37 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة للسماح للخلايا الليفية القلبية أن نعلق على القاع.
ملاحظة: في هذه الخطوة preplating، سوف نعلق الخلايا الليفية القلبية إلى قارورة في حين أن القلب وخلايا القلب ستبقى في وسط التعليق. - جمع وسائل الإعلام من قارورة التي تحتوي على خلايا القلب ووضعها في أنبوب 50 مل.
- عد الخلايا، ثم الطرد المركزي في 260 × ز لمدة 5 دقيقة في 37 درجة مئوية.
- إعادة تعليق والبذور الخلايا على رأس الروبوت لينة ملفقة في الخطوة 7. صب حجم معين من وسائل الاعلام القلبية مع القلب وocytes بتركيز 1.95 × 106 خلية / مل قطرة عن طريق الإسقاط على كامل سطح الجهاز.
- احتضان العينات في 37 درجة مئوية وتغيير وسائل الإعلام مع 5 مل خلية ثقافة وسائل الإعلام مع FBS 2٪ و 1٪ L-الجلوتامين في اليومين الأول والثاني بعد البذر. تغيير الوسائط في كل مرة يتغير لون الوسائط.
9. تلطيخ الخلية لتحليل المحاذاة
- إزالة وسائل الإعلام وغسل مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT.
- إصلاح الخلايا باستخدام 4٪ paraformaldehyde (PFA) لمدة 20 دقيقة في RT. ثم يغسل مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT.
- احتضان الخلايا مع 0.1٪ تريتون في DPBS في RT ل1 ح. غسل 3x مع برنامج تلفزيوني لمدة 5 دقيقة في RT.
- احتضان الخلايا مع مصل الماعز 10٪ في DPBS في RT لمدة 1 ساعة.
- احتضان الخلايا بجسم مضاد أساسي (ساركومريك α-أكتينين وconnexin-43) في مصل الماعز بنسبة 10٪ في DPBS عند 4 درجات مئوية لـ ~ 14-16 ساعة.
- غسل 3x مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT. احتضان الخلايا مع الأجسام المضادة الثانوية في مصل الماعز 10٪ في DPBS في RT لمدة 1 ساعة.
- غسل 3x مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT، ثم الخلايا المضادة للبقع مع 4'،6-diamidino-2-فينيليندول (DAPI) في مياه DI (1:1،000) لمدة 10 دقيقة في RT. غسل 3x مع DPBS لمدة 5 دقيقة في RT.
- التقاط الصور الفلورية باستخدام المجهر البؤري الليزر المقلوب.
10- اختبار الاختبارات الاكتتُرية وتقييم السلوك
- الضرب التلقائي للخلايا القلبية على الروبوت لينة
- احتضان المنفعلات المستوحاة من البيومستوحاة عند درجة حرارة 37 درجة مئوية لمدة 5 أيام وتحديث وسائل الإعلام في اليوم الأول والثاني وعند الضرورة (أي عندما تتحول الوسائط إلى اللون الأصفر). استخدام المجهر البصري المقلوب لالتقاط الصور يوميا (5x و / أو 10x). تسجيل حركات الخلايا باستخدام برنامج التقاط الفيديو على النافذة المباشرة للمجهر لمدة 30 ثانية بمعدل 20 إطارًا في الثانية (5x و /أو 10x) عندما يبدأ نشاط التعاقد (عادة ً حوالي اليوم الثالث).
- في اليوم 5، فصل الأغشية عن طريق رفع بلطف من الحافة مع شريحة غطاء.
ملاحظة: إذا أظهرت الخلايا سلوك ًا قويًا في الضرب ، فإن الأغشية ستنفصل عن نفسها بسبب العمل الميكانيكي للانقباضات.
- تحفيز الإشارات الكهربائية السائبة
- باستخدام PDMS متباعدة 3 سم كحامل، لصق اثنين من أقطاب قضيب الكربون مع البلاتين (Pt) الأسلاك في طبق بيتري 6 سم مليئة وسائل الإعلام القلبية. ثم نقل بعناية الروبوت لينة في طبق بيتري.
- تطبيق الموجي مربع مع عرض نبض 50 مللي ثانية، DC قيمة الإزاحة 0 V، وذروة السعة الجهد بين 0.5 و 6 V. يتراوح التردد بين 0.5 و1.0 و2.0 هرتز مع دورة عمل بين 2.5% و5% و10% على التوالي. تسجيل الانقباضات على مقياس الماكرو باستخدام كاميرا متاحة تجاريًا.
- التحفيز الكهربائي مع أقطاب الاتحاد الافريقي
- بعد تصنيع وحدة الاتحاد الافريقي microelectrode المتكاملة هيدروجيل سقالة متعددة الطبقات، نعلق اثنين من الأسلاك النحاسية إلى أقطاب الاتحاد الافريقي على الرغم من منفذ مربع خارجي باستخدام عجينة الفضة.
- تغطية عجينة الفضة مع طبقة رقيقة من PDMS precured في 80 درجة مئوية لمدة 5 دقيقة. ثم وضع العينات على لوحة ساخنة في 45 درجة مئوية لمدة 5 ساعة لcrosslink تماما PDMS.
- بعد البذر cardiomyocyte، وتطبيق موجة مربعة التحفيز الكهربائي على الأسلاك النحاسية مع DC قيمة تعويض 1 V، ذروة السعة الجهد بين 1.5 و 5 V، والترددات من 0.5، 1.0، و 2.0 هرتز على التوالي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تدفق الرسم البياني للخطوات اللازمة لتطوير Au microelectrode أدرجت bioinspired الروبوت لينة
كان الهدف من تصميم الروبوت الناعم هو بناء غشاء قادر على تشغيل حركة السباحة بأقل قدر من التعقيد. يجب أن يكون الهيكل قادرًا على الحفاظ على الانثناءات القوية مرارًا وتكرارًا بمرور الوقت (حوالي 1 هرتز) وأن يكون قادرًا على الحفاظ على شكله مع تحقيق ضربات قوية. عن طريق ربط الصور بشكل انتقائي البوليمر باستخدام أقنعة ضوئية، ونحن ملفقة سقالة منظم هرميا تتألف من طبقة هيدروجيل PEGDA micropatterned، مرنة Au microelectrodes طبقة، وطبقة هيدروجيل الكائنات المائية النسق ة CNT-GelMA. يتم عرض مخطط تخطيطي وصور فعلية لإجراء تصنيع الروبوت الناعم كما هو موضح في البروتوكول في الشكل 1. باختصار ، كانت هناك ثلاث خطوات تصنيع رئيسية للروبوت الناعم الملهم بيولوجيًا مع أقطاب Au الدقيقة المضمنة: أولاً ، تم الحصول على هيدروجيل PEGDA متناهي الصغر مع أقطاب Microelectrodes Au المدمجة بواسطة الأشعة فوق البنفسجية باستخدام قناع الضوئي 1(الشكل 1A ، B). ثانيا، بناء متعدد الطبقات تتألف من القطب ينو، وmicropatterned CNT-GelMA، وhydrogels PEGDA تم تصنيعها عن طريق الأشعة فوق البنفسجية crosslinking باستخدام قناع الضوئي 2(الشكل 1C). وأخيرا، تم بذر عضلة القلب على بناء ثلاث طبقات ملفقة لتوفير الكفاءة للروبوت لينة(الشكل 1D).
تصاميم مختلفة من الروبوت لينة
فيما يتعلق بشكل الروبوت الناعم ، في البداية ، قمنا بتصميم شكلين من وحي حيوي من خلال المحاكاة الحيوية لأنماط اثنين من الحيوانات المائية المختلفة. استلهم التصميم الأول من ظهور نجم البحر caraibic(الشكل 2A، B، C)،لأنه يمكن تبسيط نجم البحر في كائن ثنائي الأبعاد (2D)، لديه العمود الفقري الثابت، ويحتوي على جزء مرن ينضم معًا للتحرك في الماء، مما يقلل من الحركة المطلوبة. واستند الجهاز الثاني على شكل شعاع مارتا(الشكل 2D، E، F)الذي من السهل استنساخه في جهاز 2D. يمكن للأشعة مارتا السباحة بسرعة باستخدام حركات فريدة من نوعها. رسمنا شعاع مانا باستخدام الأشكال الهندسية الأساسية مع انخفاض التعقيد لتكون متقاطعة خلال خطوة قناع الضوئي. تم تصميم القطب ، الذي وضع على طول خط الوسط من الهيكل ، بنمط متموج ، مما يسمح بانتشار أفضل للنبضات الكهربائية والمرونة(الشكل 2D). لتطوير الروبوت الناعمة المستوحاة من الحيوية ، تم اختيار الشكل المستوحى من أشعة مانا واختباره بدقة في هذه الدراسة.
التحدي المتمثل في تضمين الأقطاب الكهربائية الصغيرة Au بين CNT-GelMA وPEGDA hydrogels
ويمكن لتغليف 200 نانومتر سميكة الأقطاب الصغيرة الاتحاد الافريقي في الجسم الروبوت ملفقة السيطرة محليا على بناء من خلال توفير التحفيز الكهربائي. على الرغم من أن ربط الأشعة فوق البنفسجية لكل من أنماط الهيدروجيل CNT-GelMA و PEGDA مباشرة على سطح القطب كهربائي أعاق عملية إزالة اللاصف من الأقطاب الكهربائية، فإنه يضمن النجاح في دمج القطب في الروبوت لينة. ومع ذلك ، بعد نقل القطب الاتحاد الافريقي على hydrogels PEGDA ، والاتحاد الافريقي مع شكل مستطيل وعرض واسع (> 1 ملم) وكسر بسهولة خلال عملية التصنيع بسبب تورم هيدروجيل PEGDA(الشكل 3ألف ، باء ، جيم). وبالتالي، كنا بحاجة للتأكد من أن الأقطاب الكهربائية الدقيقة تم نقلها بنجاح إلى هيدروجيل PEGDA وجزءا لا يتجزأ بين الهيدروجيل CNT-GelMA وPEGDA في حين سليمة. لذلك ، تم تصميم أقطاب Au الدقيقة ذات النمط الثعباني (السماكة = 200 ميكرومتر) وتصنيعها باستخدام الطباعة الحجرية الناعمة. المرحلة على النقيض من صور المجهر مع تكبير مختلفة ومراحل اتخذت من أجل فحص علامات الكسر على القطب بعد النقل على الهيدروجيلات البيجدا micropatterned(الشكل 3D، E، F).
تحسين التباعد بين الأنماط الدقيقة الهيدروجيل
أظهرت طبقة CARDIOMYocyte المصنفة CNT-GelMA سلوك الضرب مختلفة وفقا لمسافات نمط(الشكل 4A، B). ويمكن أن يعزى ذلك إلى الطرق المختلفة التي ترتبط بها الخلايا على سطح الغشاء اعتمادا على مسافات الخطوط. وفي حالة المسافة البالغة 50 ميكرون، كانت الخلايا معبأة جداً ولم يكن لديها التكوين المنظم المطلوب. لم تكن الخلايا المترابطة جزئيًا وغير المنحازة على الأجنحة تساهم جميعها في حركة السباحة في وقت واحد. وبالتالي ، فإن القوة التي ولدتها cardiomyocyte لم تكن كافية لثني الأجنحة. على مسافة 150 ميكرومتر، كانت الخلايا محاذية بشكل جيد للغاية. ومع ذلك ، فقد جلسوا بشكل رئيسي في الأخدود وكان هناك عدد قليل من الترابط بين الخلايا في الطبقات العليا ، مما أدى إلى ضعف الضرب. وعلى مسافة 75 ميكرومتر، كانت الخلايا محاذية في الجزء السفلي ومترابطة في الجزء العلوي، مما يظهر أقوى ضربات. وبالإضافة إلى ذلك، لمنع المتداول الكامل لا رجعة فيه من الروبوت لينة خلال الضرب الديناميكي من cardiomyocytes، ونحن الأمثل التباعد نمط طبقة دعم الهيدروجيل PEGDA إلى 300 ميكرومتر(الشكل 4C). وأخيرا، بعد هذه العملية المعلمة، قررنا التركيز أكثر على الغشاء على شكل أشعة مانتاجمع أنماط PEGDA المسافة 300 ميكرومتر و 75 ميكرومتر المسافة CNT-GelMA أنماط. كما تم عرض أنسجة القلب على أنماط PEGDA micropatterned - وCNT -GelMA من خلال صور المرحلة / التباين وصور F-actin / DAPI confocal(الشكل 4B).
تحليل حركة الأنسجة القلبية على الكائنات المجهرية PEGDA- وCNT-GelMA هيدروجيلس
لتحليل حركة المحركات ، أخذنا مقاطع فيديو للغشاء بدون أقطاب كهربائية صغيرة Au أثناء تطبيق حقل كهربائي باستخدام قطب ذرة كربون. يوضح الشكل 4D بعض الإطارات المأخوذة من سجلات الانكماش. كان من الواضح أن المارتا على شكل شعاع كان المنثنية أجنحة كما هو متوقع. كان الذيل يوازن الهيكل عن طريق استقامة قليلا وكانت الأجنحة تغلق بقوة في الوسط. وأظهرت بعض الأغشية حركة الدورية أثناء التعاقد بسبب micropatterned micropatterned غير منحازة CNT-GelMA وبوجدا hydrogels(الشكل 4E والفيديو 1). في هذه الحالة، كانت الحركة أقل تحديدًا مقارنة بالحركة السابقة ولكن الانكماش كان لا يزال قويًا بما يكفي للسماح بحركة دوارة. وكان الوقت الإجمالي لإكمال دائرة كاملة حوالي 45 s.
توصيف القلب وخلايا القلب على الروبوت لينة متعددة الطبقات والسيطرة على السلوك الضرب عن طريق التحفيز الكهربائي
بعد البذر ونضوج خلايا القلب على النظام الروبوتي المستوحى من الحيوية(الشكل 5A)، لوحظ محاذاة الأنسجة القلبية على طول اتجاه أنماط CNT-GelMA(الشكل 5B-E)من قبل كل من F-actin/DAPI وsacromeric/connexin-43/DAPI التلطيخ المناعي. وأظهرت الصور الفلورية Confocal جيدا ممدود ومحاذاة خلايا القلب على نمط الهيدروجيل CNT-GelMA(الشكل 5B, C). لوحظ محاذاة ساركومير أحادية الجزئية وهيكل ساركومري مترابط على المناطق المنقوشة(الشكل 5D). كما لوحظت هياكل ساركومر مترابطة بشكل جيد من أنسجة القلب الموجودة مباشرة فوق الأقطاب الكهربائية الدقيقة(الشكل 5E). لتقييم الروبوت الناعم المستوحى من الحيوية ، اكتشفنا وظيفته باستخدام طريقتين: أولاً ، طبقنا نبضًا كهربائيًا ثنائي الطور على الروبوت الناعم على الرغم من أقطاب قضيب الكربون لضبط السلوك الاصطناعي والتحكم فيه. ثانياً، قمنا بتوصيل سلكين نحاسيين بالنهاية الخارجية لقطب Au لتوليد إشارة كهربائية من خلال بناء الروبوت بأكمله. عندما قمنا بتطبيق التحفيز الكهربائي من خلال قطب الكربون الخارجي أو الأسلاك النحاسية المتصلة بالقطب الكهربائي للاتحاد الافريقي ، كان الجهد عتبة الإثارة مختلفة في ترددات مختلفة (0.5 ، 1.0 ، و 2.0 هرتز ، الشكل 5F).
الشكل 1: الرسم التخطيطي والصور الفعلية التي تصور عملية تصنيع الروبوت الناعم متعدد الطبقات المستوحى من الحيوية التي يتم التحكم فيها كهربائيًا بواسطة إشارة كهربائية عبر دمج أقطاب Au الدقيقة المرنة. (أ)النقش والربط بين الهيدروجيل PEGDA باستخدام قناع الضوئي1 st. (ب)Micropatterned PEGDA هيدروجيل مع الأقطاب الصغيرة Au مغلفة على الزجاج TMSPMA التي تم الحصول عليها بعد خطوة(A). (C)Crosslinking من الهيدروجيل المنقوشCNT-GelMA باستخدام قناع الضوئيالثاني 2. (د)البذر من القلب وocytes على بناء متعدد الطبقات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: تصميم الروبوتات الناعمة المستوحاة من البيو. (أ)صورة نجم البحر الحقيقية ووجهات النظر المختلفة لنموذج CAD ثلاثي الأبعاد (3D) مشيرا إلى المكونات والمشارب. (ب)تصميم قناع لنمط CNT-GelMA، نمط PEGDA، والقطب الإلكتروني للاتحاد الافريقي لشكل نجم البحر. (C)صورة المجهر البصري من أنماط MICROT-GelMA MICROPatterned وPEGDA لشكل نجم البحر. (د)ريال مدريد مارتا صورة راي ووجهات نظر مختلفة من نموذج كندي 3D مشيرا إلى المكونات. (E)تصميم قناع لنمط CNT-GelMA، نمط PEGDA، والقطب الإلكتروني Au لشكل شعاع مارتا، وتكييفها بإذن من سو ريون وآخرون10. (F)صورة المجهر البصري من أنماط MICROT-GelMA وPEGDA لشكل شعاع مانا. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: تصميم أقطاب الاتحاد الافريقي المرنة. (أ)صورة فوتوغرافية لأقطاب الاتحاد الافريقي المصنعة ذات الأشكال المستطيلة والعروض العريضة. (B و C)صور المجهر البصري للأقطاب الكهربائية Au التي فشلت في نقلها إلى الهيدروجيلات PEGDA. (D)متموج Au microelectrodes قبل وبعد(E و F)يجري نقلها على هيدروجيل PEGDA micropatterned. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: التحسين من MICROpatterned PEGDA وCNT-GelMA هيدروجيلس وتحليل حركة الروبوتات الناعمة. (أ)صور بصرية لخلايا القلب على نمط الهيدروجيل CNT-GelMA مع تباعد 50 و 75 و 150 ميكرومتر. (ب)الصور البصرية وتلطيخ F-actin/DAPI لخلايا القلب على أنماط الهيدروجيل PEGDA- و CNT-GelMA مع 300 ميكرومتر و 75 ميكرومتر، على التوالي. (C)مورفولوجيا المتداول من البنى المستوحاة بيولوجيا مع وبدون هيدروجيل PEGDA micropatterned مع تباعد 300 ميكرومتر. (D)إطارات الفيديو الروبوت لينة مستوحاة بيولوجيا الحرة المسجلة أثناء تطبيق التحفيز الكهربائي. (E)مجمعة من أربعة إطارات مختلفة مأخوذة من تسجيل الفيديو الحركة الدورية للروبوت لينة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: توصيف خلايا القلب على الروبوت لينة دمجها microelectrode الاتحاد الافريقي والسيطرة على سلوك الضرب عن طريق التحفيز الكهربائي. (أ)صورة المجهر البصري من خلايا القلب المستزرعة على أقطاب الاتحاد الافريقي الصغيرة مغلفة بين PEGDA وCNT-GelMA hydrogels. (ب)F-actin/DAPI صورة الفلورسينس تظهر جيدا ممدود ومحاذاة عضلة القلب على الكائنات الدقيقة الهيدروجيل CNT-GelMA. (C-E) صور الفلورسة Confocal تظهر محاذاة ساركومري وهياكل ساركومر مترابطة على الروبوت الناعم المفبرك:(C و D)خلايا القلب المستزرعة على نمط الكائنات الدقيقة CNT-GelMA hydrogel، و(E)بالقرب من أقطاب الاتحاد الافريقي. (F)الجهد عتبة الإثارة المطلوبة في ترددات مختلفة (0.5، 1.0، و 2.0 هرتز) عند تطبيق التحفيز الكهربائي عبر القطب قضيب الكربون وجزءا لا يتجزأ من القطب الإلكتروني الاتحاد الافريقي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
فيديو 1- يرجى الضغط هنا لعرض هذا الفيديو (انقر على اليمين للتحميل).
الملف التكميلي 1. الرجاء الضغط هنا لعرض هذا الملف (انقر على اليمين للتحميل).
الملف التكميلي 2. الرجاء الضغط هنا لعرض هذا الملف (انقر على اليمين للتحميل).
الملف التكميلي 3. الرجاء الضغط هنا لعرض هذا الملف (انقر على اليمين للتحميل).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
باستخدام هذه الطريقة ، تمكنا من تصنيع بنجاح روبوت لينة تشبه السمك الخفافيش مع نسيج قلبي متكامل ذاتي التشغيل على سقالة منظمة متعددة الطبقات يتم التحكم فيها بواسطة أقطاب الاتحاد الافريقي الدقيقة المضمنة. نظرًا لطبقتين هيدروجيل مُنميتين صغيرتين مصنوعتين من البُيْدِد وCNT-GelMA، أظهرت السقالة المستوحاة من البيوهات استقرارًا ميكانيكيًا جيدًا ومحاذاة مثالية للخلايا ونضوجًا. طبقة نمط PEGDA، الذي يعمل بمثابة مفصل غضروف من الهندسة المعمارية الهيكل العظمي في شعاع اللدغة، ويوفر الدعم الميكانيكي للجسم الروبوت كله. على وجه التحديد، حافظت على الاستقرار الميكانيكي أثناء تقلص الأنسجة القلبية والاسترخاء، مع السماح للضرب الفعال بسبب قدرتها على الإفراج عن توتر الغشاء بعد الانكماش. وعلاوة على ذلك، فإن سمك النانومترية للأقطاب الكهربائية الدقيقة (200 نانومتر)، وكذلك نمط الثعبان، سمح لهم أن يكونوا مرنين بما يكفي لعدم إعاقة أو التأثير على انكماش الأنسجة القلبية(الشكل 2). لنقل الأقطاب الكهربائية الدقيقة بسهولة على سطح الهيدروجيل دون أي كسر ، تم تصنيع أقطاب Au الصغيرة على الزجاج دون أي طبقة التصاق ، مثل التيتانيوم ، والذي يستخدم عادة لخلق التصاق قوي بين الزجاج والاتحاد الافريقي. وفي الوقت نفسه ، فإن طبقة CNT-GelMA ، التي توفر الدعم لمرفق القلب والمحاذاة ، تم إجراؤها بأنماط متعامدة مع اتجاه نمط الهيدروجيل PEGDA(الشكل 3). بعد النضج ، قدمت خلايا القلب على الطبقة العليا التشغيل الذاتي للسقالة بأكملها. من خلال التحفيز الكهربائي المحلي للأقطاب الكهربائية المرنة المدمجة في Au ، يمكننا تعديل تردد الضرب للروبوت دون الإضرار بأنسجة القلب عليه. على الرغم من أن طريقة التصنيع هذه سهلة التعلم والتكاثر ، إلا أنه لا تزال هناك بعض الخطوات الصعبة تقنيًا في عملية التصنيع التي تحتاج إلى التأكيد عليها.
هناك خمس خطوات حاسمة لتصنيع الروبوت الحيوي لينة: 1) التشتت الصحيح للCNTs في هيدروجيل GelMA; 2) ناجحة الأشعة فوق البنفسجية crosslinking من PEGDA وCNT - GelMA hydrogels على الزجاج TMSPMA المغلفة؛ 3) نقل الأقطاب الكهربائية الصغيرة Au من زجاج الدعم إلى نمط الهيدروجيل؛ 4) انفصال الصحيح من المنفعل من الشريحة الزجاجية الداعمة؛ 5) إنشاء اتصال كهربائي جيد بين الأقطاب الكهربائية Au والأسلاك المستخدمة للاتصال بمولد الموجي.
بالمقارنة مع ركائز GelMA البكر ، فإن دمج CNTs يوفر GelMA hydrogel مع خصائص ميكانيكية محسنة ووظائف كهروفيزيولوجية متقدمة تساهم في ارتفاع معدلات الضرب المتزامن التلقائي وانخفاض عتبة الإثارة من أنسجة عضلة القلب9. يتم منع مشكلة السمية السيتومية CNT ليس فقط باستخدام CNTs وظيفية السطح ولكن أيضا عن طريق دمج الهياكل النانوية في مصفوفة جلجل GelMA تصل إلى تركيز 5.0 ملغ / مل9. في الواقع ، فإن التفاعل بين الأجزاء الكارهة للماء من هيدروجيل GelMA مع الجدران الجانبية CNTs يؤدي إلى تغليف CNTs في مصفوفة هيدروجيل المسامية14. وهذا لا يمنعها من تشكيل مجاميع يحتمل أن تكون سامة فحسب، بل إنه يعزز أيضاً قابلية الذوبان في النفثالينات في المحاليل المالحة (على سبيل المثال، DPBS أو وسط زراعة الخلايا).
لدمج بنجاح الأقطاب الكهربائية بالاتحاد الافريقي بين الهيدروجيلات PEGDA و CNT-GelMA، يجب وضع اهتمام خاص في ربط الأشعة فوق البنفسجية من كل طبقة واحدة. على وجه التحديد ، لنقل أقطاب الاتحاد الافريقي على طبقة الهيدروجيل PEGDA ، من الضروري التأكد من أن محلول الهيدروجيل يغطي منطقة القطب الكهربائي بأكملهلتجنب تمزق الأقطاب الكهربائية أثناء خطوة التقشير. لذلك ، فإن جودة طلاء الزجاج TMSPMA أمر أساسي لضمان الالتصاق الأمثل لـ PEGDA hydrogel على الركيزة الزجاجية ، وبالتالي منع انفصالها أثناء خطوة نقل الأقطاب الكهربائية الدقيقة.
خطوة أخرى حاسمة من هذه الطريقة هو انفصال bioactuator من الشريحة الزجاجية الداعمة. يمكن حل هذه المشكلة بسهولة عندما يكون الضرب التلقائي للأنسجة القلبية متزامنًا وقويًا بما يكفي لتقشير الهيدروجيل الداعم بشكل طبيعي من الشريحة الزجاجية. لهذا السبب، كما ذكرت من قبل، فمن الأساسي لتحسين أنماط هيدروجيل للحث على محاذاة خلية محددة مواتية لتنظيم أنسجة القلب وظيفية ومتزامنة.
لتوصيل الأقطاب الكهربائية إلى مولد الموجي، يجب إنشاء الاتصالات الكهربائية على الأقطاب الكهربائية الدقيقة. خلال هذه الخطوة ، من المهم تغليف الغراء الفضي المستخدم للاتصال بالأقطاب الكهربائية الدقيقة للأسلاك النحاسية لتجنب الآثار السامة للخلايا. ويتحقق ذلك بنجاح عن طريق إيداع قطرة رقيقة من PDMS على الجزء العلوي من الاتصال الكهربائي.
هذه الطريقة لا يمكن أن تتغلب فقط على القيود المفروضة على التقنيات البومقراتيجية القائمة ، مثل عمليات التصنيع المعقدة ، وأوقات التصنيع الطويلة والسمية المحتملة للأدوات الراجعة جينيًا ، ولكن أيضًا تعزز بشدة أداء الخلايا القائمة المحفزات التي تؤدي إلى التحفيز في الوقت الحقيقي باستخدام تقنيات منخفضة التكلفة وسهلة التعامل. على الرغم من أن تصميم المحركات الحالية المستوحاة من الحيوية لم يتمكن من توليد الدفع إلى الأمام ، فإن نجاحه في مجال الروبوتات المستقلة القائمة على الخلايا يمكن أن يجذب الكثير من الاهتمام. يمكن أن تساهم هذه الطريقة أيضًا في تطوير بقع قابلة للزرع تعمل بالطاقة لاسلكيًا لجسم روبوت كامل. هذه الطريقة تمهد الطريق للتحفيز الكهربائي اللاسلكي في المستقبل من biorobots لينة على الرغم من دمج دوائر RF مرنة مباشرة في السقالة القائمة على هيدروجيل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ويعلن صاحبا البلاغ أنه ليس لهما مصالح مالية متنافسة.
Acknowledgments
تم تمويل هذه الورقة من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R01AR074234، R21EB026824، R01 AR073822-01)، معهد أبحاث بريغهام يخطو جائزة مبتكرة قوية، وجائزة مشروع AHA المبتكر (19IPLOI34660079).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 250 mL Beaker | PYREX | 1000-250CNEa | |
| 2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone | Sigma-Aldrich | 410896 | |
| 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate | Milipore | M6514 | |
| 37° Water bath | VWR | W6M | |
| 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Sigma-Aldrich | D9542 | |
| 50mL Conical Centrifuge Tubes | Falcon | 14-959-49A | |
| 70 µm Cell Strainer | Falcon | 352350 | |
| 80° incubator | VWR | 1370GM | |
| Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG (H+L) | Invitrogen | A11029 | |
| Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG (H+L) | Invitrogen | A11037 | |
| Alexa Fluor 488 Phalloidin | Invitrogen | A12379 | |
| Antibiotic/Antimycotic solution | ThermoFisher Scientific | 15240062 | |
| Anti-Connexin 43/GJAI antibody | Abcam | ab11370 | Rabbit polyclonal |
| Anti-Sarcomeric α-actinin | Abcam | ab9465 | Mouse monoclonal |
| Benchtop Freeze Dryers | Labconco | 77500-00 K | |
| Biosafety cabinet | Sterilgard | A/B3 | |
| Carbon rod electrodes | SGL Carbon Group | 6971105 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5804 | |
| CO2 incubator | Forma Scientific | 3110 | |
| Collagenase, Type II, Powder | Gibco | 17-101-015 | |
| Confocal Microscope | Zeiss | LSM 880 | |
| COOH Functionalized Carbon Nanotubes | NanoLab | PD30L5-20-COOH | |
| Dicing saw machine | Giorgio Technology | DAD-321 | |
| DMEM, High Glucose | Gibco | 11-965-118 | |
| DPBS without Calcium and Magnesium | Gibco | 14-190-144 | |
| E-beam evaporator | CHA | 57367 | |
| Fetal Bovine Serum | Gibco | 10-437-028 | |
| Gelatin | Sigma-Aldrich | G9391 | Type B, 300 bloom from porcine skin |
| Glass slide | VWR | 48382-180 | |
| HBSS without Calcium, Magnesium or Phenol Red | Gibco | 14-175-079 | |
| Inverted optical microscope | Olympus | CK40 | |
| Magnetic hotplate | Corning | PC-420 | |
| methacrylic anhydride | Sigma-Aldrich | 276695 | Contains 2,000ppm topanol A as inhibitor |
| Nunc EasYFlask 175cm2 | ThermoFisher Scientific | 159910 | |
| Olicscope | Siglent | SDS1052DL+ | |
| Paraformaldehyde Aqueous Solution -16% | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| PDMS SYLGARD 184 | Sigma-Aldrich | 761036 | |
| Photomask | Mini micro stencil inc | ||
| Platinum wire | Alfa Aesar | AA43014BU | |
| Polyethylene glycol dimethcrylate | Polysciences Inc. | 15178-100 | |
| Regenerated Cellulose Dialysis Tubing | Fisherbrand | 21-152-14 | |
| Silver Epoxy Adhesive | MG Chemicals | 8330S | |
| Stericup Quick Release-GP Sterile Vacuum Filtration System | Millipore | S2GPU02RE | |
| Ultra sonicator | Qsonica | Q500 | |
| UV Curing System | OmniCure | S2000 | |
| Vortex mixer | Scientific Industry | SI-0246A | |
| Waveform generator | Agilent | 33500B | |
| Wrap Aluminium foil | Reynolds | N/A |
References
- Nawroth, J. C., et al. A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nature Biotechnology. 30 (8), 792-797 (2012).
- Park, S. J., et al. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353 (6295), 158-162 (2016).
- Laschi, C., et al. Soft Robot Arm Inspired by the Octopus. Advanced Robotics. 26 (7), 709-727 (2012).
- Alapan, Y., et al. Soft erythocyte-based bacterial microswimmers for cargo delivery. Science Robotics. 3 (17), 4423 (2018).
- Magdanz, V., Sanchez, S., Schmidt, O. G. Development of a Sperm-Flagella Driven Micro-Bio-Robot. Advanced Materials. 25 (45), 6581-6588 (2013).
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (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 (18), 3473-3484 (2016).
- Shin, S. R., et al. Aligned Carbon Nanotube–Based Flexible Gel Substrates for Engineering Biohybrid Tissue Actuators. Advanced Functional Materials. 25 (28), 4486-4495 (2015).
- Shin, S. R., et al. Carbon-nanotube-embedded hydrogel sheets for engineering cardiac constructs and bioactuators. ACS Nano. 7 (3), 2369-2380 (2013).
- Shin, S. R., et al. Electrically Driven Microengineered Bioinspired Soft Robots. Advanced Materials. 30 (10), 1704189 (2018).
- Tye, K. M., Deisseroth, K. Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models. Nature Reviews Neuroscience. 13 (4), 251-266 (2012).
- Feinberg, A. W., et al. Muscular thin films for building actuators and powering devices. Science. 317 (5843), 1366-1370 (2007).
- Jia, Z., et al. Stimulating cardiac muscle by light: cardiac optogenetics by cell delivery. Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 4 (5), 753-760 (2011).
- Shin, S. R. Carbon Nanotube Reinforced Hybrid Microgels as Scaffold Materials for Cell Encapsulation. ACS Nano. , (2013).
