Name: cardiac muscle-cell based actuator and self-stabilizing biorobot - part 1
Uploaded: 2017-07-11T13:00:00
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MT Holley est soutenu par le programme Graduate Fellows du Louisiana Board of Regents et C. Danielson est soutenu par Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Cette étude est soutenue par NSF Grant No: 1530884. Les auteurs souhaitent remercier le soutien de la salle blanche au Center for Advanced Microstructures and Devices (CAMD).

1. Calculer la masse du PDMS et des additifs <ol><li> Utilisez l&#39;équation suivante pour trouver la masse de PDMS nécessaire pour des hauteurs spécifiques dans les procédures suivantes, M = ρ * V = ρ * Hauteur * Zone (1), Où &#39;Height&#39; est la hauteur de la couche, &#39;Area&#39; est la zone d&#39;un conteneur dans lequel le PDMS sera guéri, &#39;ρ&#39; est la densité du mélange et &#39;V&#39; est le volume. REMARQUE: Les densités pour les calculs de hauteur sont PDMS = 0,965 g...

<ol>
	<li>Williams, B., Anand, S., Rajagopalan, J., Saif, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+self-propelled+biohybrid+swimmer+at+low+Reynolds+number.">A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number.</a> Nat commun. 5, (2014).</li><li>Nawroth, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+tissue-engineered+jellyfish+with+biomimetic+propulsion.">A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion.</a> Nat Biotechnol. 30 (8), 729-797 (2012).</li><li>Huge Herr, ., D, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+swimming+Robot+Actuated+by+Living+Muscle+Tissue.">A swimming Robot Actuated by Living Muscle Tissue.</a> J Neuroeng. Rehabil. 1, (2004).</li><li>Park, S., al, e. l. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phototactic+guidance+of+a+tissue-engineered+soft-robotic+ray.">Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray.</a> Science. 353 (6295), 158-162 (2016).</li><li>Chan, V., Park, K., Colleens, M., Kong, H., Saif, T., Bashir, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+miniaturized+walking+biological+machines.">Development of miniaturized walking biological machines.</a> Sci. Rep. 2, 857 (2012).</li><li>Cvetkovic, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensionally+printed+biological+machines+powered+by+skeletal+muscle.">Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle.</a> PNAS. 111, 10125-10130 (2014).</li><li>Xi, J., Scmidt, J., Montemagno, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembled+microdevices+driven+by+muscle.">Self-assembled microdevices driven by muscle.</a> Nat. Mater. 4, 180-184 (2005).</li><li>Kim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Establishment+of+a+fabrication+method+for+a+long-term+actuated+hybrid+cell+robot.">Establishment of a fabrication method for a long-term actuated hybrid cell robot.</a> Lab Chip. 7, 1504-1508 (2007).</li><li>Tanaka, Y., Sato, K., Shimizu, T., Yamato, M., Okano, T., Kitamori, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+micro-spherical+heart+pump+powered+by+cultured+cardiomyocytes.">A micro-spherical heart pump powered by cultured cardiomyocytes.</a> Lab Chip. 7, 207-212 (2007).</li><li>Park, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro+pumping+with+cardiomyocyte-polymer+hybrid.">Micro pumping with cardiomyocyte-polymer hybrid.</a> Lab Chip. 7, 1367-1370 (2007).</li><li>Akiyama, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atmospheric-operable+bioactuator+powered+by+insect+muscle+packaged+with+medium.">Atmospheric-operable bioactuator powered by insect muscle packaged with medium.</a> Lab Chip. 13, 4870-4880 (2013).</li><li>Kabumoto, K., Hoshino, T., Akiyama, Y., Morishima, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Voluntary+movement+controlled+by+the+surface+EMG+signal+for+tissue-engineered+skeletal+muscle+on+a+gripping+tool.">Voluntary movement controlled by the surface EMG signal for tissue-engineered skeletal muscle on a gripping tool.</a> Tissue Eng. Part A. 19, 1695-1703 (2013).</li><li>Feinberg, A., Feigel, A., Shevkoplyas, S., Sheehy, S., Whitesides, G., Parker, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Muscular+thin+films+for+building+actuators+and+powering+devices.">Muscular thin films for building actuators and powering devices.</a> Science. 317 (5843), 1366-1370 (2007).</li><li>Vannozi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembly+of+polydimethylsiloxane+structures+from+2D+to+3D+for+bio-hybrid+actuation.">Self-assembly of polydimethylsiloxane structures from 2D to 3D for bio-hybrid actuation.</a> Bioinspiration Biomimetics. 10 (5), (2015).</li><li>Holley, M. T., Nagarajan, N., Danielson, C., Zorlutuna, P., Park, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+characterization+of+muscle-based+actuators+for+self-stabilizing+swimming+biorobots.">Development and characterization of muscle-based actuators for self-stabilizing swimming biorobots.</a> Lab Chip. 16, 3473-3484 (2016).</li><li>Sfakiotakis, M., Lane, D., Davies, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+fish+swimming+modes+for+aquatic+locomotion.">Review of fish swimming modes for aquatic locomotion.</a> IEEE J. Oceanic Eng. 24, 237-252 (1999).</li><li>McCain, M., Agarwal, A., Hesmith, H., Nesmith, A., Parker, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micromolded+gelatin+hydrogels+for+extended+culture+of+engineered+cardiac+tissues.">Micromolded gelatin hydrogels for extended culture of engineered cardiac tissues.</a> Biomaterials. 35 (21), 5462-5471 (2014).</li></ol>

Différents mécanismes de locomotion se retrouvent parmi les nageurs aquatiques 16 . Le mécanisme de locomotion du biorobot dans cette étude utilise la locomotion à base d&#39;aileron, en particulier la locomotion ostraciiforme. Les nageurs ostraciiformes se propulsent en agitant une queue (en porte-à-faux) et ayant un corps rigide (base en couches) 16 . Les poissons tels que le poisson-cacao et le poisson sauvage utilisent ce type de locomotion. Les nageurs ostraciif...

Les actionneurs biologiques et les biorobots sont activement étudiés pour fournir une alternative à la robotique conventionnelle pour de nombreuses applications. Biorobots qui marchent 5 , 6 , 7 , 8 , nage 1 , 2 , 3 , 4 , pompe 9 , 10 ou grip 11 , 12 , 13 Ont déjà été développés. De même, les cellules musculaires peuvent être incorporées dans une structure PDMS laminée en 3D 14 . Souvent, les backbones de biorobot sont fabriqués à l&#39;aide de techniques de lithographie douce avec des matériaux tels que des hydrogels et PDMS (polydiméthylsiloxane). Ce sont des choix attractifs en raison de leur flexibilité, biocompatibEt une rigidité facilement réglable. Les cellules musculaires vivantes sont généralement incorporées à ces matériaux pour fournir une génération de force par contraction. Les cellules musculaires cardiaques de mammifères (cardiomyocytes) et les cellules musculaires squelettiques ont été utilisées de manière dominante pour l&#39;actionnement. En plus de ces deux, les tissus musculaires d&#39;insecte ont été utilisés pour faire fonctionner les biorobots à la température ambiante 3 . Dans cette étude en deux parties, les cardiomyocytes ont été choisis en raison de leur contraction spontanée 6 . Une grande partie des recherches antérieures sur les biorobots a été axée sur le développement des actionneurs biologiques, tandis que l&#39;optimisation de l&#39;architecture de Biorobot et le développement de fonctionnalités essentielles pour les biorobots ont été largement négligés. Récemment, quelques rapports ont démontré la mise en place de différents modes de natation inspirés par les modes de propulsion trouvés dans la nature. Ces méthodes intègrent des films PDMS et des cellules musculaires pour imiter différentes méthodes de propulsion naturelle. Par exemple, la propulsion à base de flagelles 1 , la propulsion de méduses biomimétiques 2 , le rayon bio-hybride 4 et les appareils de natation PDMS à couche mince 13 ont été rapportés. Dans cet article, nous présentons le processus de fabrication de biorobots de natation auto-stabilisants qui peuvent maintenir la profondeur d&#39;immersion ainsi que le pitch and roll. Le biorobot a une base ou un corps solide, propulsé par un seul en porte-à-faux avec des cardiomyocytes attachés à sa surface. Les cardiomyocytes font que le porte-à-faux se plie dans une direction longitudinale quand ils se contractent. Cette forme de natation est classée comme natation ostraciiforme. La possibilité d&#39;ajouter des fonctionnalités supplémentaires sur la base est un avantage unique de la natation ostraciiforme. Par exemple, la base peut être utilisée pour fournir une flottabilité excessive pour transporter des cargaisons supplémentaires ou des circuits de contrôle pour la contraction des cardiomyocytes. La stabilitéDu biorobot était souvent négligé dans les études antérieures de biorobots. Dans cette étude, nous avons mis en place une auto-stabilisation en concevant la base avec différents matériaux PDMS composites de différentes densités de masse. Le biorobot présente donc une résistance aux perturbations externes et maintient sa profondeur de submersion, saut et roulement, sans aide. La première couche est le PDMS microballoon (MB-PDMS), c&#39;est -à- dire le PDMS mélangé avec des microballeurs, ce qui réduit la densité du biorobot, ce qui lui permet de flotter dans les médias. La deuxième couche est le cantilever PDMS, et son épaisseur est adaptée de sorte que la force générée par les cardiomyocytes peut plier considérablement le porte-à-faux de 45 ° à 90 °. La couche inférieure est nickel-PDMS (Ni-PDMS), c&#39;est-à - dire PDMS mélangé avec de la poudre de nickel. Ce calque exécute plusieurs fonctions. Il est magnétique, et permet donc au biorobot d&#39;être ancré au bas du support, lors de l&#39;ensemencement cellulaire, avec un aimant. Le mélange de nickel est d&#39;une densité plus élevée que le MB-PDMS etMoyen, et assurer une position verticale du biorobot en flottant. Le poids de cette couche génère un couple de restauration sur le biorobot à n&#39;importe quel pas et rouleau. En outre, le rapport de volume entre le Ni-PDMS et le MB-PDMS maintient la profondeur de submersion. Les protocoles présentés seraient très utiles pour les chercheurs intéressés à caractériser la force battant des cellules et des tissus musculaires, ainsi que ceux qui souhaitent construire des biorobots de natation. L&#39;ensemencement de l&#39;actionneur biologique fonctionnalisé et des dispositifs de biorobot, la caractérisation mécanique et biochimique des cellules et l&#39;analyse quantitative de la fonction du dispositif sont décrits en détail dans la partie 2 de cet article en deux parties ainsi que dans les travaux récents 15 .

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td>
			<td>Dow Corning</td>
			<td>184 sil elast kit&#160; 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 10W, 10.6 &#181;m wavelength, CO2 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 1.9L</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&#8217;s Phosphate Buffer (PBS)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D1408-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dulbecco&#8217;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

Les machines biologiques souvent appelées biorobots sont des appareils à base de cellules ou de tissus qui sont alimentés uniquement par l&#39;activité contractile des composants vivants. En raison de leurs avantages inhérents, les biorobots s&#39;intéressent comme alternatives aux robots traditionnels entièrement artificiels. Diverses études ont porté sur le renforcement de la puissance des actionneurs biologiques, mais seules des études récentes ont caractérisé quantitativement les performances des biorobots et ont étudié leur géométrie pour améliorer leur fonctionnalité et leur efficacité. Ici, nous démontrons le développement d&#39;un biorobot de natation auto-stabilisable qui peut maintenir sa hauteur, sa profondeur et son roulis sans intervention externe. La conception et la fabrication de l&#39;échafaudage PDMS pour l&#39;actionneur biologique et le biorobot suivi de la fonctionnalisation avec fibronectine sont décrits dans cette première partie. Dans la deuxième partie de cet article en deux parties, nous détaillons l&#39;incorporation de cardiomyocytes et caractérisons l&#39;action biologiqueFonction ator et biorobot. Les deux intègrent une base et une queue (en porte-à-faux) qui produisent une propulsion à base d&#39;ailettes. La queue est construite avec des techniques de lithographie douce utilisant PDMS et gravure au laser. Après incorporer la queue avec la base de l&#39;appareil, elle est fonctionnalisée avec une protéine adhésive cellulaire et ensemencée confluée avec des cardiomyocytes. La base de l&#39;actionneur biologique consiste en un bloc PDMS solide avec un cordon de verre central (agit comme un poids). La base du biorobot se compose de deux matériaux composites PDMS, Ni-PDMS et microballoon-PDMS (MB-PDMS). La poudre de nickel (en Ni-PDMS) permet le contrôle magnétique du biorobot lors de l&#39;ensemencement et de la stabilité des cellules pendant la locomotion. Microballoons (dans MB-PDMS) diminuent la densité de MB-PDMS, et permettent au biorobot de flotter et de nager régulièrement. L&#39;utilisation de ces deux matériaux avec différentes densités de masse a permis un contrôle précis de la répartition du poids afin d&#39;assurer une force de restauration positive à n&#39;importe quel angle du biorobot. Cette techniqueProduit un biorobot de natation auto-stabilisable magnétiquement contrôlé.

L&#39;actionneur biologique et le biorobot ont des processus de fabrication très similaires, car le biorobot est une extension naturelle de l&#39;actionneur biologique ( Figure 1 ). L&#39;actionneur biologique a été développé d&#39;abord pour établir les techniques requises pour le biorobot, analyser la force générée par les cellules et caractériser la maturation cellulaire mécaniquement et biochimiquement, qui sont décrits en détail dans la partie 2 de cet ...

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

Dans cette étude en deux parties, un actionneur biologique a été développé à l&#39;aide de cantilevers de polydiméthylsiloxane (PDMS) hautement flexibles et de cellules musculaires vivantes (cardiomyocytes) et caractérisés. L&#39;actionneur biologique a été incorporé avec une base en matériaux PDMS modifiés pour construire un biorobot auto-stabilisant.

Actionneur à base de cellules musculaires cardiaques et Biorobot auto-stabilisant - PARTIE 1

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