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Bioengineering

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JoVE Journal Bioengineering

Robot doux bioinspiré avec microélectrodes incorporées

Automated Robotic Dispensing Technique for Surface Guidance and Bioprinting of Cells

Journal (Bioengineering)

Automated Robotic Dispensing Technique for Surface Guidance and Bioprinting of Cells

Imaging Denatured Collagen Strands In vivo and Ex vivo via Photo-triggered Hybridization of Caged Collagen Mimetic Peptides

Journal (Bioengineering)

Imaging Denatured Collagen Strands In vivo and Ex vivo via Photo-triggered Hybridization of Caged Collagen Mimetic Peptides

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Robot doux bioinspiré avec microélectrodes incorporées

Article DOI: 10.3791/60717-v

February 28th, 2020 •

Ting Wang^1,2, Bianca Migliori^1,3, Beatrice Miccoli^1,4, Su Ryon Shin¹

¹Division of Engineering in Medicine, Department of Medicine, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, ²School of Medicine, Jiangsu University, ³Tech4Health and Neuroscience Institutes, NYU Langone Health, ⁴Department of Electronics and Telecommunication, Politecnico di Torino

Chapters

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February 28th, 2020

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Un échafaudage bioinspiré est fabriqué par une technique de photolithographie douce à l’aide d’hydrogels mécaniquement robustes et électriques. Les hydrogels micropatterned fournissent l’alignement directionnel de cellules de cardiomyocyte, ayant pour résultat une direction adaptée de l’actionnement. Des microélectrodes flexibles sont également intégrées dans l’échafaudage pour apporter une contrôlabilité électrique pour un tissu cardiaque auto-actionnant.

Transcript

Notre nouvelle méthode de fabrication d’actionneur bioinspiré à commande électrique peut non seulement surmonter la limitation de l’actionneur biohybride existant, mais aussi améliorer fortement les performances de l’actionneur à base de cellules. En utilisant cette technique peu coûteux et facile à manipuler, le comportement d’actionnement du robot mou bioinspiré peut être contrôlé et réglé menant à la stimulation en temps réel. Notre nouvelle méthode peut potentiellement être étendue à l’application d’un dispositif électronique flexible implantable sans fil pour la régénération cardiaque.

Cette méthode peut également servir de nouvelle plate-forme pour l’étude de la stimulation électrique locale des constructions latentes cellulaires. Commencez par dissoudre 80 milligrammes de GelMA en quatre millilitres de PBS de Dulbecco. Ajoutez ensuite 20 milligrammes d’acide carboxylique fonctionnalisé nanotubes de carbone multirois et soniquez la solution pendant une heure à 660 millihertz et 100 watts.

Pour créer pegda micropatterned, placez une couche de ruban transparent commercial de 50 micromètres d’épaisseur à une glissière en verre enduit tmspma, versez 15 microlitres de la solution de prépolymer PEGDA de 20% sur le dessus de la glissière en verre enduit, puis couvrez-la avec des microélecrodes d’or. Placez le premier photomask sur le dessus de la glissière et exposez l’ensemble de la construction à 200 watts de lumière ultraviolette à 800 milliwatts d’intensité et à une distance de huit centimètres pendant 110 secondes. À la fin de l’exposition aux UV, placez la glissade de verre dans le PBS de Dulbecco.

Ajoutez une goutte de 20 microlitres du nanotube de carbone GelMA solution de prépolymer entre les entreteurs. Après cinq à dix minutes, détachez soigneusement l’hydrogel PEGDA micropatterned et les microélectrées d’or du substrat en verre non encodé et placez la glissière à l’envers sur les entretriers. Fixez la glissière vers le plat avec du ruban adhésif et retournez tout l’assemblage à l’envers.

Placez le deuxième photomask sur la glissière de verre et exposez l’assemblage à la lumière UV comme démontré pendant 200 secondes. À la fin de l’exposition, lavez l’échafaud une fois avec le PBS frais de Dulbecco et une fois avec le milieu de culture cellulaire complété avec le sérum bovin foetal de 10%. Ensuite, placez l’échafaudage dans un milieu frais dans un nouveau plat petri dans un incubateur de 37 degrés Celsius pendant la nuit.

Après l’isolement cardiomyocyte des coeurs néonatals de rat de deux jours selon les protocoles standard, résuspendez les cellules à un 1,95 fois 10 aux six cellules par millilitre de concentration moyenne cardiaque et ensemencez les cellules sur le robot mou fabriqué dans des gouttelettes. Lorsque toute la surface de l’appareil a été recouverte, incuber les échantillons à 37 degrés Celsius pendant cinq jours, en remplaçant la culture supernatant par cinq millilitres de milieu de culture cellulaire fraîche complétée par 2% de sérum bovin fœtal et 1% de L-glutamine le premier et le deuxième jours après l’ensemencement. Pour évaluer le battement spontané des cardiomyocytes sur le robot doux, à partir du troisième jour de la culture, placez le robot sur un stade de microscope optique inversé et utilisez un objectif 5X ou 10X et un logiciel de capture vidéo pour imager l’activité cardiomyocyte pendant 30 secondes à 20 images par seconde.

Le cinquième jour, utilisez une glissière de couverture pour soulever doucement les membranes au bord. À l’aide d’un PDMS espacé de trois centimètres comme support, apposer deux électrodes de tige de carbone avec du fil de platine sur une boîte de Petri de six centimètres remplie d’un milieu cardiaque et transférer soigneusement le robot doux dans le plat. Appliquez ensuite une forme d’onde carrée avec une largeur d’impulsion de 50 millisecondes, une valeur offset à courant direct de zéro volts et une amplitude de tension maximale comprise entre 0,5 et 6 volts.

Pour la stimulation électrique avec les microélecrodes d’or, après la fabrication de la construction multicououche, utilisez la pâte d’argent pour fixer deux fils de cuivre aux électrodes d’or par un port carré externe et couvrir la pâte avec une fine couche de PDMS pré-durci à 80 degrés Celsius pendant cinq minutes. Ensuite, placez l’échantillon sur une plaque chaude à 45 degrés Celsius pendant cinq heures pour traverser complètement le PDMS. Après l’ensemencement cardiomyocyte sur les fils connectés robot doux, appliquer un stimulus électrique d’onde carrée sur les fils de cuivre avec la valeur offset à courant direct d’un volt, une amplitude de tension de pointe entre 1,5 et cinq volts, et des fréquences de 0,5, un et deux hertz respectivement.

Ces robots mous ont été conçus en biomimicking les modèles de deux animaux aquatiques différents, l’étoile de mer et la raie manta. Les couches de GelMA de nanotube de carbone ensemencées de cardiomyocyte ont exhibé différents comportements de battement selon les distances de modèle. Pour éviter un roulement complet irréversible du robot mou lors du battement dynamique des cardiomyocytes, l’espacement du modèle de la couche de soutien hydrogel PEGDA a été optimisé à 300 micromètres.

Dans ces cadres acquis à partir d’enregistrements de contraction, on peut clairement observer un actionneur en forme de raie manta plier les ailes comme prévu avec la queue équilibrant la structure en redressant lorsque les ailes se fermaient solidement au milieu. Certaines membranes démontrent un mouvement rotatif tout en se contractant en raison de nanotubes de carbone micropatterned mal alignés GelMA et PEGDA hydrogels. Le tissu cardiaque sur les modèles micropatterned PEGDA et gelMA de nanotube de carbone peut également être visualisé par l’imagerie confocale de DAPI de F-actin.

L’alignement partiel des sarcomes uniaxiaux et les structures sarcomere interconnectées peuvent également être observés sur les zones modelées par microscopie confocale ainsi que par des structures sarcomere bien interconnectées de tissus cardiaques situés directement au-dessus des microélecrodes. La tension du seuil d’excitation est différente à différentes fréquences de stimulus électrique par l’électrode de carbone externe ou le fil de cuivre relié à l’électrode d’or. Le processus de liaison croisée UV de PEGDA et le micropatterning GelMA à l’aide de photomasques est important pour l’obtention de microélecrode d’or de haute qualité incorporant multicouches couvertes.

La bioimpression peut être utilisée pour fabriquer de l’hydrogel micropatterned et de l’électrode flexible. Nous avons utilisé la bioimpression pour obtenir un robot souple géométriquement bien défini d’une manière rapide, peu coûteuse et à haut débit. Notre méthode peut potentiellement contribuer au développement de la stimulation électrique sans fil du robot souple grâce à l’intégration d’un dispositif électronique flexible directement dans un échafaudage à base d’hydrogel.

Nanotube de carbone et solvants organiques doivent toujours être manipulés à l’intérieur d’une hotte que les fibres de nanotube de carbone peuvent faire leur chemin dans les poumons posant un risque de développement du cancer.

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