Name: cardiac muscle-cell based actuator and self-stabilizing biorobot - part 1
Uploaded: 2017-07-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 22 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1 at JoVE.com

MT HolleyはLouisiana Board of RegentsのGraduate Fellowsプログラムによって支持されており、C. DanielsonはHoward Hughes Medical Institute教授プログラムの支援を受けています。この研究は、NSFグラント番号：1530884で支持されています。著者は、先端微細構造デバイスセンター（CAMD）のクリーンルームのサポートに感謝したいと思います。

PDMSと添加剤の質量を計算する<ol><li>以下の式を使用して、以下の手順で特定の高さに必要なPDMSの質量を求めます。 M =ρ* V =ρ*高さ*面積（1）、 「高さ」は層の高さ、「面積」はPDMSが硬化する容器の面積、「ρ」は混合物の密度、「V」は体積である。 注：高さ計算の密度は、PDMS = 0.965g / mL、Ni-PDMS = 1.639g / mL、MB-PDMS = 0.648g / mLである。 </li><li>式（1）を用いて、生物学的アクチュエータの基部の特定の高さ（5mm）を得るために所与の容器に対して必要とされるPDMSの質量を推定する。得られるPDMSの密度は0.965g / mLである。 注記：比率は硬化剤対重量比で10：1です。 M base =ρ* V =ρ* V *（ <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq1.jpg" /> ）（2） M 硬化剤 =ρ* V =ρ* V *（ <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq2.jpg" /> ） </li><li>式（1）を用いて、所定の容器について、ビオロボの底部の特定の高さ（1.5mm）を得るのに必要なNi-PDMSの質量を求める。 注：比は1：1.88（ニッケル粉末対PDMS重量）および1：1.71：0.171（PDMSベースからPDMS硬化剤へのニッケル粉末の質量）。得られるNi-PDMSの密度は1.639g / mLとなる。 M ニッケル =ρ* V =ρ* V *（ <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq3.jpg" /> ）（3） M base =ρ* V =ρ* V *（ <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq4.jpg" /> ） M 硬化剤 =ρ* V =ρ* V *（ <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq5.jpg" /> ） </li><li>同様に、式（1）~f<html>特定の容器について、ビオロボの上部基部の特定の高さ（3.5mm）を得るのに必要なMB-PDMSの質量を表示する。 注：比は1：5（マイクロバルーンからPDMS重量）および1：4.54：0.454（PDMSベースからPDMS硬化剤へのマイクロバルーンから重量）です。得られるMB-PDMSの密度は0.648g / mLとなる。 M Microballoon =ρ* V =ρ* V *（ <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq6.jpg" /> ）（4） M base =ρ* V =ρ* V *（ <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq7.jpg" /> ） M 硬化剤 =ρ* V =ρ* V *（ <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq8.jpg" /> ） </li><li> biorobotの動的安定性を、分析スクリプトを使用して所望の寸法とジオメトリでチェックします。補足情報、「Biorobot_dynamic_stability.m」および「CG_CB_calculation.m」を参照してください。 </li></ol>_title &quot;&gt; 2。静止した基盤上の生物学的アクチュエータの製作注記：図1aを参照してください。 <ol><li> PDMSの薄膜をスピンコートします（図1a-1およびa2参照）。得られるPDMSフィルムの厚さは25μmである。 <ol><li>フォトレジストスピナーにシリコンウェーハを置き、ポンプスイッチをオンにして吸引します。 注：シリコンウェーハは、直径4インチ、厚さ500μmです。 </li><li>ウェハが完全に覆われるまで、ポジ型フォトレジスト（ 例えば、 S1808）をシリコンウェハ上に注ぐ。 20秒間2,000rpmで回転するようにスピナーをプログラムする。次に、フットペダルを踏んでスピナーを係止します。回転後吸引を止める。 </li><li>ホットプレートを120℃まで加熱します。ウェーハピンセットを使用してスピンナーからシリコンウェーハをピックアップし、シリコンウェーハをホットプレート上に直接配置します。ウェーハを浅いペトリ皿で覆い、10分間ベークする。 注：オーブンを使用してbaにすることができます同じ温度および時間を使用してウェハを洗浄する。 図1a-1にこのプロセスを示します。 </li><li>プラスチック容器を計量台に置き、ゼロにします。容器にPDMSベース6gを注ぎ、PDMS硬化剤0.6gを加える。 PDMSを5分間完全に混合する。 注：混合後、混合物は気泡とコンフルエントになるはずです。 </li><li>混合したPDMSの容器を真空チャンバーに入れる。真空チャンバの圧力を100ミリバールに下げ、容器をチャンバ内に30分間放置する。真空を壊し、容器を取り除く。使用するまで容器を覆ったままにしておきます。 </li><li>ベーキングされたフォトレジスト層を有するシリコンウェハをスピナー上に置く。ゆっくりとウェーハ上に脱気したPDMS混合物を注ぎます。 注：新しい泡が混合物に導入されないようにゆっくりと注ぎます。 </li><li>スピナーを1,200rpmに5分間セットする。スピナーの吸引をオンにし、スピナーを使用します。回転後吸引を止める。 注：T厚さの設定は、PDMSの厚さ25μmの層をもたらす。 </li><li>オーブンを40℃に加熱する。ウェハーピンセットを使用してスピナーからシリコンウェーハを取り出し、オーブンに入れます。ウェハを一晩焼き、次に室温でウェハを冷却する。 注： 図1a-2にこのプロセスを示します。 </li></ol></li><li> 薄膜PDMS層のレーザー彫刻。 <ol><li>レーザー彫刻機の電源スイッチとその排気口を入れます。レーザー彫刻機に接続されたコンピュータの電源を入れます。レーザー彫刻ソフトを開きます。 </li><li> 「ファイル」オプションの下で、図2eに示す生物学的アクチュエータ設計ファイルを開きます。 <ol><li> 「設定」ボタンを押します。 「青」をクリックし、電源設定を3％に変更し、速度を4％に変更します。 「設定」をクリックします。 「黒」をクリックし、「モード」をスキップするように変更します。次に、「設定」をクリックします。 「赤」についても同じことをします。 「適用」ボタンを押して終了する設定。 &quot; </li><li>右上にある「彫刻機の起動」ボタンを押します。 </li></ol></li><li> 「再配置」ボタンを押すと、デザインがソフトウェアの画面の中央に移動します。 </li><li>プログラムの &quot;Focus View&quot;ボタンを押し、画面上のbiorobotの端をクリックします。これにより、レーザー刻印機のガイディングレーザードットが対応するポイントに移動します。 </li><li> 2.2.4でクリックしたポイントに対応するウェーハ上のポイントがガイドレーザードットの直下に来るように、ピンセットで手動でウェーハを移動します。 </li><li> &quot;彫刻を開始する&quot;ボタンを押して、彫刻プロセスを開始します。彫刻が完了したら、ウェーハを取り出します。すべての機器の電源を切ります。 注：「前のジョブの彫刻を開始する」ボタンは、大きな緑の三角です。レーザーが目を損傷する可能性があるため、彫刻プロセスを直接見てはいけません。 図1a-3にこのプロセスを示します。 </li&gt; </ol></li><li> 生物学的アクチュエータベースの調製および製造。 <ol><li>ガラスビーズ（直径3 mm）を15 mLチューブに注ぎます。ビーズを脱イオン水に70％エタノールで24時間浸します。エタノールを除去し、DI水で24時間チューブを満たしてください。 DI水を注ぎ、チューブを50℃のホットプレート上に置き、ガラスビーズの乾燥を促進します。 </li><li>注入中に容器の側面に粘着するPDMSを説明するために、式（1）に見られるPDMSの量に3gを加える。式（2）を使用して、PDMSベースおよび硬化剤の量を求める。 </li><li>プラスチック容器を計量台に置き、ゼロにします。ステップ2.3.2で見つかったPDMSベースの量を容器に注ぎ、ゼロにします。次に、ステップ2.3.2で見つかった量のPDMS硬化剤を容器に注ぎます。 </li><li> PDMSを5分間完全に混合する。 注記：PDMSは硬化剤に対して10：1の割合で使用されます。混合物は多くの気泡を有するべきである。 </li><li>場所スケールで焼くために使用される容器で、ゼロを出します。慎重に、ステップ2.3.2で見つけられた（そしてステップ2.3.4で混合された）PDMSの正しい量を容器に注ぎます。洗浄したガラスビーズを定期的にPDMS混合物全体に滴下する。生物学的アクチュエータベースのための各ビーズを囲むスペースは、少なくとも5mm以上離してください。 </li><li>容器を真空チャンバー内に置く。真空圧力を100 mbarに減圧し、真空ポンプを停止します。 30分後、真空を破って容器を取り出します。使用までカバーしてください。 注：チャンバー内の圧力は、混合物が脱気され、真空チャンバーがリークすると、時間の経過と共にゆっくりと上昇することがあります。圧力が100ミリバールを大幅に上回る場合は、真空ポンプをオンにして圧力を100 mbarに戻します。 </li><li>ホットプレートを40℃に加熱する。慎重にPDMSの容器とガラスビーズをホットプレート上に置きます。容器を覆い、一晩焼く。 </li></ol></li><li> 生物学的アクチュエータアセンブリ。 </stロング&gt; 注：次の手順は肉眼で行うことができます。 <ol><li>剃刀を使用して、パート2.3で作成したバルクPDMSから立方体（5 mm x 5 mm x 5 mm）を切り取ってください。 注：1つのビーズが各キューブの中央にある必要があります。 </li><li>ベースをテープに押し込んで取り除くことによって、ベースプレート表面の汚染物質を除去するために、各生物学的アクチュエータベースのすべての側面を清掃してください。それぞれの面を繰り返します。 </li><li>少量の液体PDMSを作るために2.3.2から2.3.6までの手順をやり直してください。針の先端を液体PDMSに浸す。ステップ2.2でパターン化されたウエハの彫刻されたベース領域上に液体PDMSを滴下する。 5mm×5mmのベース領域を完全に覆うように、PDMSの液滴を汚す。 注：基本領域は、 図2aの中央の正方形のセクションです。 </li><li>ピンセットを使用して、液体PDMSで覆われたベースエリアにステップ2.4.2の清掃された立方体を置きます。 </li><li> 「液体PDMSの滴を1つ置きにする」の手順2.4.3をend、および2.4.4項を参照してください。 </li><li>ホットプレートを40℃に加熱する。シリコンウェーハを注意深くホットプレート上に配置します。ウェーハを覆い、一晩焼きます。 注：使用するまでアセンブリを取り付けたままにしておきます。 図1a-4に最終デバイスを示します。 </li></ol></li></ol> 3.ビオロボットの作製（図1b） <ol><li> 薄いPDMSフィルムのスピンコーティングとレーザー彫刻 <ol><li>新しいシリコンウェーハを使用して、2.1および2.2のすべての手順を繰り返します。これにより、PDMSの薄膜とフォトリソグラフィーの薄膜が形成されたシリコンウェーハが得られ、ビオロボ設計で彫刻される。 注記：ステップ2.2を繰り返しながら、以前に使用した生物学的アクチュエータ設計ではなく、レーザー彫刻用のビオロボーデザインを使用します。 図1b-1およびb-3は、これらのプロセスを示す。 </li></ol></li><li> PDMSコンポの準備と製造サイト。 注：次の手順は肉眼で行うことができます。 <ol><li>フェノールマイクロバルーンを50 mLチューブにフルになるまで注ぎます。 DI水中の70％エタノールで管を満たし、24時間放置する。エタノールを注ぎ、脱イオン水を加え、24時間放置する。 DI水を注ぎ、チューブを50℃のホットプレート上に置き、使用前にマイクロバルーンの乾燥を容易にします。 </li><li>必要なPDMSの量を見出すために、MB-PDMS密度と3.5mmの高さとの式（1）を使用する。注入後に容器に残る材料を考慮して、総量に3gを加えます。式（3）を使用して、PDMSベースおよび硬化剤の量を見つける。スケールを使用してPDMSベース、硬化剤、およびマイクロバルーンの適切な量を測定する。 </li><li> Ni-PDMS密度と1.5mmの高さの式（1）を使用して、必要なPDMSの量を求めます。ステップ3.2.2のように全量に3gを加える。式（2）を使用してPDMSベースを見つけ、金額。スケールを使用してPDMSベース、硬化剤、およびニッケルパウダーの適切な量を測定する。 </li><li> MB-PDMSおよびNi-PDMSの各混合物を5分間混合する。 3.2.2と3.2.3で計算された正しい量のMB-PDMSとNi-PDMSを秤を使って別々の容器に慎重に注ぎます。 注：混合物は、混合容器の底面を傷つけることなく、金属またはガラスロッドによって完全に混合されるべきである。混合物は気泡と合流する。 </li><li>両方の容器を真空チャンバーに入れます。圧力を100 mbarに30分間低下させます。真空を解除して容器を取り除く。使用までカバーしてください。 </li><li>ホットプレートを40℃に加熱する。 MB-PDMSとNi-PDMSを入れた容器をホットプレートに置きます。各容器を覆い、一晩焼く。 注：使用するまで蓋を付けて保管してください。 </li></ol></li><li> バイオロボットアセンブリ。 <ol><li> Ni-Pから各ビオロボサイズに対応する寸法のビオロボベースを切断するDMSおよびMB-PDMSを使用しています。ベースデザインについては、 図2b-2dを参照してください。 注：Ni-PDMSの厚さは1.5 mmで、MB-PDMSの厚さは3.5 mmです。 </li><li>ビオロボットベースのすべての側面を清掃して、ベースにテープを押し付けて取り除くことで、表面の汚れを取り除きます。それぞれの面を繰り返します。 </li><li>コロナ放電器をオンにします。コロナ放電器の先端をクリーンルームティッシュを挟んで金属板の上に置かれたNi-PDMSベースの上に1cmほど持ちます。先端をベースの周りに動かし、表面を処理するために15秒間続ける。 注：コロナ放電器とウェハの間で放電が発生するはずです。そうでない場合は、放電が発生するまでチップを近づけてください。 </li><li>ステップ3.3.3を繰り返して、ステップ3.1で彫刻したビオロボの底面を同じ時間処理する。ピンセットを使用してNi-PDMS処理面をフィルムの処理面に置く。装置を5分間放置させる。 注：これはストロン2つの部分を結合する。 図1b4を参照してください。 </li><li>シャープなピンセットを使用して、biorobotカンチレバーをウェーハから剥がし、Ni-PDMSベースの底に置きます。ピンセットを使用して、アセンブリ全体をウェーハから取り外します。 注記：カンチレバーはNi-PDMSベースに取り付けられます。 図1b-5および図 b-6はこれを示しています。 </li><li> MB-PDMSベースの上部に、硬化していないPDMS（硬化剤に10：1の塩基）を少し滴下します。ピンセットを使用して、未硬化PDMSを有するMB-PDMS上の薄膜PDMSを有するNi-PDMSの側面を配置する。アセンブリをプラスチックのペトリ皿に置き、40℃のホットプレート上に置き、一晩硬化させます。 注： 図1b-7に最終デバイスを示します。 </li></ol></li></ol> 4.デバイスの機能化注：以下では、細胞播種のための装置を調製するプロセスを説明する。 <ol><li>準備フィブロネクチン溶液（50μg/ mL）、リン酸緩衝生理食塩水（PBS）、10％ウシ胎仔血清（FBS）および1％ペニシリン抗生物質（DMEM完全）を添加したダルベッコ変法イーグル培地（DMEM）が必要である。 </li><li>フィブロネクチン溶液100μLをT-25培養フラスコ（フラスコが直立しているときの底面）の中央に置く。各装置のために別々のフラスコを維持する。 </li><li>バイオロボットまたは生物学的アクチュエータをフィブロネクチン溶液の液滴の上に下に置く。カンチレバーが展開され、液滴に浸されていることを確認します。 37℃で30分間インキュベートする。 </li><li>インキュベーション後、フィブロネクチン溶液を除去し、PBSで2回洗浄する。 </li><li> PBSを除去し、10mLのDMEMをフラスコに充填する。 37℃で1時間インキュベートし、PDMSの脱気を促進する。ビオロボットを10 mLの培地に浸すには、磁石を使用して装置をフラスコの底に保持します。フラスコをサムに置きます超音波処理浴に5分間吹き込み、気泡を除去する。 注：インキュベーション期間中、気泡がPDMS表面に形成されます。これはここでは脱気と呼ばれます。ビオロボアセンブリに使用されるNi-PDMSは磁性である。生物学的アクチュエータは、ガラスビーズの重量のためにフラスコの底に残るため、磁石を必要としない。バイオロボットまたは生物学的アクチュエータアセンブリは、ここでパート2で詳細に説明するシーディングの準備が整いました。 </li></ol>

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著者は何も開示していない

水泳選手の間では様々な移動機構が見られます16 。この研究でのビオロボの運動機構は、フィンベースの運動、具体的には並置運動を使用する。騎乗的な水泳者は、尾を振って（片持ち）、剛体（層状の基部） 16を持って自らを推進します。ボクフやカウフィッシュなどの魚は、このタイプの移動を使用します。扇動的なスイマーは、典型的には遅く、非?...

生物学的アクチュエータおよびバイオロボットは、従来のロボットに代わるものを多くの用途に提供するために積極的に研究されている。歩く5,6,7,8、スイム1,2,3,4 、ポンプ9,10 、またはグリップ11,12,13を歩くボルボボット すでに開発されている。同様に、筋肉細胞は3D圧延PDMS構造14に組み込むことができる。しばしば、ビオロボ骨格は、ヒドロゲルおよびPDMS（ポリジメチルシロキサン）などの材料を用いたソフトリソグラフィ技術を用いて製造される。これらは、その柔軟性のために魅力的な選択肢です、biocompatib柔軟性、および容易に調整可能な剛性。生活筋肉細胞は、収縮による力発生を提供するために、通常、これらの材料と組み合わされる。哺乳動物の心筋細胞（心筋細胞）および骨格筋細胞が、主に作動のために使用されている。これらの2つの他に、昆虫の筋肉組織は、室温でビオロボットを操作するために使用されている3 。この2回の研究では、自発収縮のために心筋細胞を選択した6 。 ビオロボに関する初期の研究の多くは、生物学的アクチュエータの開発に焦点を当てていたが、ビオロボー構造の最適化とビオロボットの本質的機能の開発は、ほとんど無視されていた。最近、いくつかの報告は、自然界に見られる推進モードに触発された様々な水泳モードの実施を実証した。これらの方法は、様々な天然推進方法を模倣するためにPDMSフィルムおよび筋肉細胞を組み込む。例えば、鞭毛ベースの推進1 、生体模倣のクラゲ推進2 、バイオハイブリッド光4 、および薄膜PDMS水泳装置13が報告されている。 本論文では、浸水深さとピッチとロールを維持できる自己安定水泳用ビオロボの製造プロセスを紹介する。ビオロボットは、その表面に付着した心筋細胞を有する単一のカンチレバーによって推進される固体の基体または本体を有する。心筋細胞は、収縮するとカンチレバーを縦方向に曲げる。この水泳の形態は、奇妙な水泳に分類されます。ベースに追加の機能を追加する機能は、奇妙な水泳のユニークな利点です。例えば、基部は、心筋細胞の収縮のために追加の貨物または制御回路を運ぶために余分な浮力を提供するために利用され得る。 安定以前に行われたビオロボの研究では、しばしば見落とされていました。この研究では、異なる質量密度の複合PDMS材料を用いてベースを設計することによって自己安定化を実現しました。このように、ビオロボットは外乱に対する耐性を示し、浸水深さ、ピッチおよびロールを助けずに維持する。第1の層はマイクロバルーンPDMS（MB-PDMS）、 すなわちマイクロバルーンと混合されたPDMSであり、これはビオロボットの密度を低下させ、媒体中に浮遊することを可能にする。第2の層は、PDMSカンチレバーであり、その厚さは、心筋細胞によって生成される力がカンチレバーを45°から90°まで劇的に曲げることができるように調整される。最下層はニッケル-PDMS（Ni-PDMS）、 すなわち PDMSとニッケル粉末を混合したものである。このレイヤーは複数の機能を実行します。それは磁気であり、従って、バイオロボットは、細胞の播種中に、磁石を用いて培地の底に固定することができる。ニッケル混合物はMB-PDMSよりも高密度であり、浮遊している間にビオロボの直立姿勢を確保します。この層の重量は、任意のピッチおよびロールでバイオロボットに復元トルクを生成する。また、Ni-PDMSとMB-PDMSとの体積比は浸漬深さを維持する。提示されたプロトコールは、筋細胞および組織の鼓動力ならびに水泳用ビオロボットを構築することを望む人々の鼓動力を特徴付けることに関心を持つ研究者にとって非常に有用であろう。 機能化された生物学的アクチュエータおよびバイオロボットデバイスのシーディング、細胞の機械的および生化学的特徴付け、およびデバイス機能の定量的分析は、この2部構成の論文のパート2および最近の研究15に詳細に記載されている。

<table><tbody><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>184 sil elast kit&amp;nbsp; 0.5kg</td><td>Sylgard 184</td></tr><tr><td>Nickel Powder</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>266981-100G</td><td></td></tr><tr><td>Phenolic microballoons</td><td>US Composites</td><td>BJO-0930</td><td></td></tr><tr><td>Silicon wafers</td><td></td><td></td><td>4 inch diameter</td></tr><tr><td>PWM101 light-duty spinner</td><td></td><td></td><td>Spin- coater</td></tr><tr><td>Positive photoresist (S1808)</td><td>Dow Corning</td><td>DEM-10018197</td><td></td></tr><tr><td>Hotplate</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum chamber</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>M206 mechanical convection oven</td><td></td><td></td><td>Convection oven</td></tr><tr><td>Laser engraver</td><td>Universal Laser System</td><td>VLS2.30</td><td>Utilizes a 10 W, 10.6 &amp;micro;m wavelength, CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; Laser</td></tr><tr><td>Universal Laser Systems Application</td><td>Universal Laser System</td><td></td><td>Application for running the VLS 2.30</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>MathWorks</td><td></td><td>Numerical analysis program</td></tr><tr><td>Scotch Tape</td><td>Scotch Brand</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Solid-glass beads</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z265926-1EA</td><td>Soda-lime glass, diameter 3 mm</td></tr><tr><td>Scale</td><td>Mettler Toledo</td><td>EL303</td><td></td></tr><tr><td>BD-20AC Laboratory Corona Treater</td><td>Electrotechnic Products</td><td>12051A</td><td>Corona Discharger</td></tr><tr><td>Ultrasonic Bath 1.9 L</td><td>Fisher Scientific</td><td>15-337-402</td><td>40 kHz industrial transducer</td></tr><tr><td>Fibronectin from bovine plasma</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F1141</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco&amp;rsquo;s Phosphate Buffer (PBS)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D1408-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco&amp;rsquo;s Modified Eagle Medium (DMEM)</td><td>Hyclone Laboratories</td><td>16750-074</td><td>With 4500 mg/L glucose, 4.0 mM L-glutamine, and 110 mg/L sodium pyruvate.</td></tr><tr><td>Fetalclone III serum</td><td>Hyclone Industries, GE</td><td>16777-240</td><td>Fetal bovine serum</td></tr><tr><td>Penicillin-G sodium salt</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3032</td><td></td></tr></tbody></table>

cardiac muscle-cell based actuator and self-stabilizing biorobot - part 1

ビオロボットと呼ばれることが多い生物機械は、生きている成分の収縮活性のみによって駆動される、生きている細胞または組織ベースのデバイスである。その固有の利点のために、ビオロボは伝統的な完全人工ロボットの代替として関心を集めています。様々な研究が生物学的アクチュエータの力を利用することに焦点を当ててきたが、近年の研究では、ビオロボットの性能を定量的に特徴づけ、機能性と効率を高めるためにジオメトリを研究した。ここでは、外部からの介入なしにピッチ、深さ、ロールを維持できる自立型スイミングバイオロボットの開発を紹介します。生物学的アクチュエータおよびバイオロボットのためのPDMS足場の設計および製作に続いて、フィブロネクチンによる機能化がこの第1部に記載されている。この2部構成の記事の第2部では、心筋細胞の取り込みを詳述し、生物学的作用を特徴付けるatorとbiorobotの機能。両方とも、フィンベースの推進力を生成するベースとテール（カンチレバー）を組み込んでいます。テールは、PDMSとレーザー彫刻を使用してソフトリソグラフィ技術で構築されています。尾部をデバイス基部に組み込んだ後、それを細胞接着タンパク質で機能化し、心筋細胞とコンフルエントに播種する。生物学的アクチュエータの基部は、中央ガラスビーズ（重量として作用する）を有する固体PDMSブロックからなる。ビオロボットの基部は、2つの複合PDMS材料、Ni-PDMSおよびマイクロバルーン-PDMS（MB-PDMS）からなる。ニッケル粉末（Ni-PDMS中）は、細胞の播種中および移動中の安定性の間、バイオロボットの磁気制御を可能にする。 Microballoons（MB-PDMS）は、MB-PDMSの密度を低下させ、ビオロボットを浮動させて着実に泳ぐことを可能にする。異なる質量密度を有するこれらの2つの材料の使用は、重量分布に対する正確な制御を可能にして、ビオロボの任意の角度で確実な復元力を確保した。この技術磁気的に制御された自己安定型スイミングビオロボを生成する。

生物学的アクチュエータおよびバイオロボットは、バイオロボットが生物学的アクチュエータの自然な延長部であるので、非常に類似した製造プロセスを有する（ 図1 ）。生物学的アクチュエータは、最初に、バイオロボットに必要な技術を確立し、細胞によって生成された力を分析し、細胞熟成を機械的および生化学的に特徴づけるために開発された?...

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Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1

この2部構成の研究では、非常に柔軟なポリジメチルシロキサン（PDMS）カンチレバーおよび生存筋細胞（心筋細胞）を用いて生物学的アクチュエータを開発し、特徴付けた。生物学的アクチュエータは、自己安定化したスイミングビオロボを構築するために、改変されたPDMS材料で作られた基材と組み合わされた。

心筋細胞ベースのアクチュエータおよび自己安定化バイオロゴ - パート1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living ...

cardiac-muscle-cell-based-actuator-self-stabilizing-biorobot-part

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.0K ビュー.  Louisiana State University. この2部構成の研究では、非常に柔軟なポリジメチルシロキサン（PDMS）カンチレバーおよび生存筋細胞（心筋細胞）を用いて生物学的アクチュエータを開発し、特徴付けた。生物学的アクチュエータは、自己安定化したスイミングビオロボを構築するために、改変されたPDMS材料で作られた基材と組み合わされた。 

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An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine interface to assess the robustness of different control-laws applied to a closed-loop image stabilization task. Taking advantage of the well-characterized fly visuomotor pathway we record the electrical activity from an identified, motion-sensitive neuron, H1, to control the yaw rotation of a two-wheeled robot. The robot is equipped with 2 high-speed video cameras providing visual motion input to a fly placed in front of 2 CRT computer monitors. The activity of the H1 neuron indicates the direction and relative speed of the robot's rotation. The neural activity is filtered and fed back into the steering system of the robot by means of proportional and proportional/adaptive control. Our goal is to test and optimize the performance of various control laws under closed-loop conditions for a broader application also in other brain machine interfaces.

We use a closed-loop fly-machine interface to investigate general principles in neuronal control.

ブレインマシンインタフェースの閉ループ性能を研究する実験プラットフォーム

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine ...

神経科学

Fabrication of Myogenic Engineered Tissue Constructs

Despite the fact that electronic pacemakers are life-saving medical devices, their long-term performance in pediatric patients can be problematic owing to the restrictions imposed by a child's small size and their inevitable growth. Consequently, there is a genuine need for innovative therapies designed specifically for pediatric patients with cardiac rhythm disorders. We propose that a conductive biological alternative consisting of a collagen-based matrix containing autologously-derived cells could better adapt to growth, reduce the need for recurrent surgeries, and greatly improve the quality of life for these patients. In the present study, we describe a procedure for incorporating primary skeletal myoblast cell cultures within a hydrogel matrix to fashion a surgically-implantable tissue construct that will serve as an electrical conduit between the upper and lower chambers of the heart. Ultimately, we anticipate using this type of engineered tissue to restore atrioventricular electrical conduction in children with complete heart block. In view of that, we isolate myoblasts from the skeletal muscles of neonatal Lewis rats and plate them onto laminin-coated tissue culture dishes using a modified version of established protocols[2, 3]. After one to two days, cultured cells are collected and mixed with antibiotics, type 1 collagen, Matrigel&trade;, and NaHCO3. The result is a viscous, uniform solution that can be cast into a mold of nearly any shape and size[1, 4, 5]. For our tissue constructs, we employ type 1 collagen isolated from fetal lamb skin using standard procedures[6]. Once the tissue has solidified at 37&deg;C, culture media is carefully added to the plate until the construct is submerged. The engineered tissue is then allowed to further condense through dehydration for 2 more days, at which point it is ready for in vitro assessment or surgical-implantation.

Here, we demonstrate fabrication of collagen-based, tissue constructs containing skeletal myoblasts. These 3-D engineered constructs may be used to replace or repair tissues in vivo. For our purposes, we have designed these as an atrioventricular electrical conduit for the repair of complete heart block[1].

筋原培養組織コンストラクトの作製

Despite the fact that electronic pacemakers are life-saving medical devices, their long-term performance in pediatric patients can be problematic owing to ...

生物学

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in unstructured environments. At the same time, new procedures and techniques have been developed to reduce the invasiveness of surgical operations. Minimally Invasive Surgery (MIS) has been successfully employed for abdominal interventions, however standard MIS procedures are mainly based on rigid or semi-rigid tools that limit the dexterity of the clinician. This paper presents a soft and high dexterous manipulator for MIS. The manipulator was inspired by the biological capabilities of the octopus arm, and is designed with a modular approach. Each module presents the same functional characteristics, thus achieving high dexterity and versatility when more modules are integrated. The paper details the design, fabrication process and the materials necessary for the development of a single unit, which is fabricated by casting silicone inside specific molds. The result consists in an elastomeric cylinder including three flexible pneumatic actuators that enable elongation and omni-directional bending of the unit. An external braided sheath improves the motion of the module. In the center of each module a granular jamming-based mechanism varies the stiffness of the structure during the tasks. Tests demonstrate that the module is able to bend up to 120&#176; and to elongate up to 66% of the initial length. The module generates a maximum force of 47 N, and its stiffness can increase up to 36%.

This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported.

低侵襲手術でのソフトモジュラーロボットのエラストマーユニットの設計と製作

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

生物工学

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, compliant and biomimetic nature of this deformation, actuators made of the laminate have received increasing interest in soft robotics and (bio)medical applications. However, methods to easily fabricate the active material in large (even industrial) quantities and with a high batch-to-batch and within-batch repeatability are needed to transfer the knowledge from laboratory to industry. This protocol describes a simple, industrially scalable and reproducible method for the fabrication of ionic carbon-based electromechanically active capacitive laminates and the preparation of actuators made thereof. The inclusion of a passive and chemically inert (insoluble) middle layer (e.g., a textile-reinforced polymer network or microporous Teflon) distinguishes the method from others. The protocol is divided into five steps: membrane preparation, electrode preparation, current collector attachment, cutting and shaping, and actuation. Following the protocol results in an active material that can, for example, compliantly grasp and hold a randomly shaped object as demonstrated in the article.

This article describes a fast and simple manufacturing process of ionic electromechanically active composite materials for actuators in biomedical, biomimetic and soft robotics applications. The key fabrication steps, their importance for the actuators&#39; final properties, and some of the main characterization techniques are described in detail.

炭素系イオン電気機械式活性式式式式式式式アクチュエータの製造

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

工学

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with slopes of up to 84&#176;. The manufacturing method is valid for the fast pneunet bending actuators in general and might, therefore, be interesting for newcomers to the field of actuator manufacturing. The control of the robot is achieved by means of a pneumatic control box that can provide arbitrary pressures and can be built by only using purchased components, a laser cutter, and a soldering iron. For the walking performance of the robot, the pressure-angle calibration plays a crucial role. Therefore, a semi-automated method for the pressure-angle calibration is presented. At high inclines (&#62; 70&#176;), the robot can no longer reliably fix itself to the walking plane. Therefore, the gait pattern is modified to ensure that the feet can be fixed on the walking plane.

This protocol provides a detailed list of steps to be performed for the manufacturing, control and evaluation of the climbing performance of a gecko-inspired soft robot.

ヤモリにインスパイアされたソフトロボットの製造・制御・性能評価

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with ...

Cardiac Muscle Cell-based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - Part 2

In recent years, hybrid devices that consist of a living cell or tissue component integrated with a synthetic mechanical backbone have been developed. These devices, called biorobots, are powered solely by the force generated from the contractile activity of the living component and, due to their many inherent advantages, could be an alternative to conventional fully artificial robots. Here, we describe the methods to seed and characterize a biological actuator and a biorobot that was designed, fabricated, and functionalized in the first part of this two-part article. Fabricated biological actuator and biorobot devices composed of a polydimethylsiloxane (PDMS) base and a thin film cantilever were functionalized for cell attachment with fibronectin. Following functionalization, neonatal rat cardiomyocytes were seeded onto the PDMS cantilever arm at a high density, resulting in a confluent cell sheet. The devices were imaged every day and the movement of the cantilever arms was analyzed. On the second day after seeding, we observed the bending of the cantilever arms due to the forces exerted by the cells during spontaneous contractions. Upon quantitative analysis of the cantilever bending, a gradual increase in the surface stress exerted by the cells as they matured over time was observed. Likewise, we observed movement of the biorobot due to the actuation of the PDMS cantilever arm, which acted as a fin. Upon quantification of the swimming profiles of the devices, various propulsion modes were observed, which were influenced by the resting angle of the fin. The direction of motion and the beating frequency were also determined by the resting angle of the fin, and a maximum swim velocity of 142 &#181;m/s was observed. In this manuscript, we describe the procedure for populating the fabricated devices with cardiomyocytes, as well as for the assessment of the biological actuator and biorobot activity.

In this study, a biological actuator and a self-stabilizing, swimming biorobot with functionalized elastomeric cantilever arms are seeded with cardiomyocytes, cultured, and characterized for their biochemical and biomechanical properties over time.

心筋細胞ベースのアクチュエータと自己安定化ビオロボ - 第2部

In recent years, hybrid devices that consist of a living cell or tissue component integrated with a synthetic mechanical backbone have been developed. ...

握力と指の回復力の向上による脳卒中リハビリテーションの革命

A Flexible Wearable Supernumerary Robotic Limb for Chronic Stroke Patients

In this study, we present a flexible wearable supernumerary robotic limb that helps chronic stroke patients with finger rehabilitation and grasping movements. The design of this innovative limb draws inspiration from bending pneumatic muscles and the unique characteristics of an elephant's trunk tip. It places a strong emphasis on crucial factors such as lightweight construction, safety, compliance, waterproofing, and achieving a high output-to-weight/pressure ratio. The proposed structure enables the robotic limb to perform both envelope and fingertip grasping. Human-robot interaction is facilitated through a flexible bending sensor, detecting the wearer's finger movements and connecting them to motion control via a threshold segmentation method. Additionally, the system is portable for versatile daily use. To validate the effectiveness of this innovation, real-world experiments involving six chronic stroke patients and three healthy volunteers were conducted. The feedback received through questionnaires indicates that the designed mechanism holds immense promise in assisting chronic stroke patients with their daily grasping activities, potentially improving their quality of life and rehabilitation outcomes.

著者スポットライト:柔軟なロボット肢を持つ片麻痺患者の把持能力の向上 

This protocol introduces a flexible wearable supernumerary robotic limb tailored to assist in finger rehabilitation for stroke patients. The design incorporates a bending sensor to facilitate seamless human-robot interaction. Validation through experiments involving both healthy volunteers and stroke patients underscores the efficacy and dependability of the proposed study.

慢性脳卒中患者のための柔軟な装着型超過ロボット四肢

In this study, we present a flexible wearable supernumerary robotic limb that helps chronic stroke patients with finger rehabilitation and grasping ...

Simultaneous Electrical and Mechanical Stimulation to Enhance Cells' Cardiomyogenic Potential

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries. Consequently, the demand for effective cardiac cell therapies has motivated researchers in the stem cell and bioengineering fields to develop in vitro high-fidelity human myocardium for both basic research and clinical applications. However, the immature phenotype of cardiac cells is a limitation on obtaining tissues that functionally mimic the adult myocardium, which is mainly characterized by mechanical and electrical signals. Thus, the purpose of this protocol is to prepare and mature the target cell population through electromechanical stimulation, recapitulating physiological parameters. Cardiac tissue engineering is evolving toward more biological approaches, and strategies based on biophysical stimuli, thus, are gaining momentum. The device developed for this purpose is unique and allows individual or simultaneous electrical and mechanical stimulation, carefully characterized and validated. In addition, although the methodology has been optimized for this stimulator and a specific cell population, it can easily be adapted to other devices and cell lines. The results here offer evidence of the increased cardiac commitment of the cell population after electromechanical stimulation. Electromechanically stimulated cells show an increased expression of main cardiac markers, including early, structural, and calcium-regulating genes. This cell conditioning could be useful for further regenerative cell therapy, disease modeling, and high-throughput drug screening.

Here we present a protocol for training a cell population using electrical and mechanical stimuli emulating cardiac physiology. This electromechanical stimulation enhances the cardiomyogenic potential of the treated cells and is a promising strategy for further cell therapy, disease modeling, and drug screening.

細胞の Cardiomyogenic の可能性を高めるに同時電気的・機械的刺激

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries. Consequently, the demand for effective cardiac cell therapies has motivated ...

心筋細胞ベースのアクチュエータおよび自己安定化バイオロゴ - パート1

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筋原培養組織コンストラクトの作製

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心筋細胞ベースのアクチュエータと自己安定化ビオロボ - 第2部

慢性脳卒中患者のための柔軟な装着型超過ロボット四肢

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