Name: cardiac muscle-cell based actuator and self-stabilizing biorobot - part 1
Uploaded: 2017-07-11T13:00:00
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MT Holley는 Louisiana Board of Regents의 Graduate Fellows 프로그램에서 지원하고 C. Danielson은 Howard Hughes Medical Institute 교수 프로그램의 지원을받습니다. 이 연구는 NSF 보조금 번호 : 1530884에서 지원됩니다. 저자는 CAMD (Advanced Microstructures and Devices) 센터의 클린 룸에 대한 지원에 감사드립니다.

1. PDMS 및 첨가제의 질량 계산 <ol><li> 다음 절차를 통해 특정 높이에 필요한 PDMS의 질량을 구하려면 다음 방정식을 사용하십시오. M = ρ * V = ρ * 높이 * 면적 (1), 여기서 &#39;Height&#39;는 레이어의 높이이고 &#39;Area&#39;는 PDMS가 치료 될 컨테이너의 영역이며 &#39;ρ&#39;는 혼합물의 밀도이며 &#39;V&#39;는 볼륨입니다. 참고 : 높이 계산을위한 밀도는 PDMS = 0.965 g / mL, Ni-PDMS = 1.639 g / mL, MB-PDMS = ...

<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>

수중 수영 선수들 ​​사이에서 다양한 이동 메커니즘이 발견 될 수 있습니다 16 . 본 연구에서 biorobot의 이동 메커니즘은 지느러미 기반의 locomotion, 특히 ostraciiform locomotion을 사용한다. Ostraciiform 수영 선수는 꼬리 (캔틸레버)를 휘두르고 단단한 몸체 (적층 된 바닥)를 가짐으로써 스스로를 추진합니다 16 . Boxfish와 Cowfish와 같은 물고기는 이러한 유형의 이동을 사...

생물학적 액추에이터 및 바이오 오봇 (biorobot)은 수많은 응용 분야에서 기존 로봇의 대안을 제공하기 위해 활발히 연구되고 있습니다. 도보 5 , 6 , 7 , 8 , 수영 1 , 2 , 3 , 4 , 펌프 9 , 10 , 그립 11 , 12 , 13 이미 개발되었다. 마찬가지로, 근육 세포는 3D 압연 PDMS 구조 14에 통합 될 수 있습니다. 종종, 바이오 오르 본 백본은 하이드로 겔 및 PDMS (폴리 디메틸 실록산)와 같은 재료로 소프트 리소그래피 기술을 사용하여 제조된다. 이들은 유연성, biocompatib 때문에 매력적인 선택입니다뻣뻣함을 쉽게 조절할 수 있습니다. 살아있는 근육 세포는 일반적으로 수축을 통해 힘을 생성하기 위해 이러한 물질과 통합됩니다. 포유 동물의 심장 근육 세포 (cardiomyocytes)와 골격근 세포가 주로 발동에 사용되었습니다. 이 두 가지 외에, 곤충 근육 조직은 실온에서 바이오 오봇 (biorobots)을 조작하는 데 사용되었습니다 3 . 이 두 부분 연구에서, cardiomyocytes는 그들의 자연 수축 때문에 선택되었습니다 6 . biorobot에 대한 이전 연구의 대부분은 biorobot 아키텍처의 최적화와 biorobot의 필수 기능 개발이 거의 무시되는 동안 생물학적 액추에이터 개발에 중점을 두었습니다. 최근 몇 가지 보고서는 자연에서 발견되는 추진 방식에 영향을받은 다양한 수영 모드의 구현을 시연했습니다. 이 방법은 다양한 자연 추진 방법을 모방하기 위해 PDMS 필름과 근육 세포를 통합합니다. 예를 들어, 편모 기반 추진 1 , 생물 모방 해파리 추진 2 , 바이오 하이브리드 광선 4 및 박막 PDMS 수영 장치 13 이보고되었습니다. 본 논문에서는 침지 심도 및 피치 및 롤을 유지할 수있는 자체 안정화 수영 비오 노봇의 제작 과정을 제시한다. 바이오 오봇 (biiorobot)은 단단한 기저부 또는 몸체를 가지고 있으며, 그 표면에 부착 된 심근 세포 (cardiomyocytes)를 갖는 단일 캔틸레버에 의해 추진된다. 심근 세포는 캔틸레버가 수축 할 때 종 방향으로 구부러지게합니다. 이 형태의 수영은 ostraciiform swimming으로 분류됩니다. 베이스에 추가 기능을 추가 할 수있는 기능은 배의 수영의 독특한 장점입니다. 예를 들어, 기저부는 과도한 부력을 제공하여 추가화물을 운반하거나 심근 세포 수축을위한 제어 회로를 제공 할 수 있습니다. 안정biorobot의 이전 연구에서 종종 간과되었습니다. 본 연구에서는 질량 밀도가 다른 복합 PDMS 재료로베이스를 설계하여 자체 안정화를 구현했습니다. 따라서 비 오로봇은 외부 교란에 대한 내성을 나타내며 침수 깊이, 피치 및 롤을 무의미하게 유지합니다. 첫 번째 레이어는 microballoon PDMS (MB-PDMS)입니다. 즉 PDMS와 microballoons이 섞여서 biorobot의 밀도를 낮추어 미디어에 떠있게합니다. 두 번째 레이어는 PDMS 캔틸레버이며, 그 두께는 cardiomyocytes에 의해 생성 된 힘이 극적으로 캔틸레버를 45도에서 90도까지 구부릴 수 있도록 맞추어 져 있습니다. 하단 층은 니켈 - PDMS (Ni-PDMS), 즉 PDMS와 니켈 분말을 혼합 한 것입니다. 이 계층은 여러 기능을 수행합니다. 그것은 자성이며, 따라서 biorobot은 세포를 뿌리는 동안 자석의 바닥에 고정 될 수 있습니다. 니켈 혼합물은 MB-PDMS보다 밀도가 높고중간, 그리고 떠있는 동안 biorobot의 직립 위치를 보장합니다. 이 층의 무게는 피치와 롤에서 바이오로봇에 복원 토크를 발생시킵니다. 또한, Ni-PDMS와 MB-PDMS 사이의 부피비는 침수 깊이를 유지한다. 제시된 프로토콜은 근육 세포와 조직뿐만 아니라 수영 biorobots을 구축하고자하는 사람들의 치는 힘을 특성화하는데 관심있는 연구자들에게 매우 유용 할 것이다. 기능화 된 생물학적 액추에이터 및 바이오 오르봇 장치의 시딩, 세포의 기계적 및 생화학 적 특성 분석, 장치 기능의 정량 분석은이 두 파트의 Part 2와 최근의 작업 15 에서 자세히 설명합니다.

<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

종종 바이오 오봇이라고 불리는 생물 기계는 살아있는 구성 요소의 수축 활동에 의해서만 작동되는 세포 또는 조직 기반의 장치입니다. 그들의 고유 한 이점으로 인해, biorobots는 전통적인 완전 인공 로봇의 대안으로 관심을 얻고 있습니다. 다양한 연구가 생물학적 액추에이터의 힘을 활용하는 데 초점을 맞추었지만, 최근 연구에서는 비 오로봇의 성능을 정량적으로 특성화하고 기능과 효율성을 향상시키기 위해 기하학을 연구했습니다. 여기서는 외부 조정없이 피치, 깊이 및 롤을 유지할 수있는 자체 안정화 수영 biorobot의 개발을 보여줍니다. 생물학적 액츄에이터 및 바이오 오르 봇에 대한 PDMS 발판의 설계 및 제작은 피브로넥틴으로 기능화 한 다음이 첫 번째 부분에서 설명합니다. 이 두 편의 기사의 두 번째 부분에서 우리는 심근 세포의 결합을 상세히 설명하고 생물학적 작동을 특성화합니다ator 및 biorobot 기능. 두 가지 모두 지느러미 기반 추진력을 생성하는 기본 및 꼬리 (캔틸레버)를 통합합니다. 꼬리는 PDMS와 레이저 조각을 이용한 부드러운 리소그래피 기법으로 제작됩니다. 꼬리를 장치 기초와 결합시킨 후, 세포 접착 단백질로 기능화시키고 심근 세포와 함께 접종한다. 생물학적 액추에이터의베이스는 중앙 유리 비드 (무게로 작용)가있는 고체 PDMS 블록으로 구성됩니다. biorobot의 바닥은 두 개의 PDMS 복합 재료, Ni-PDMS 및 microballoon-PDMS (MB-PDMS)로 구성됩니다. 니켈 분말 (Ni-PDMS에서)은 세포 시딩과 이동 중에 안정성을 유지하면서 비 오로봇을 자기 적으로 제어 할 수 있습니다. Microballoons (MB-PDMS에서)은 MB-PDMS의 밀도를 감소시키고 biorobot을 부양하고 꾸준히 수영 할 수있게합니다. 서로 다른 질량 밀도를 갖는이 두 물질의 사용은 biorobot의 어떤 각도에서도 긍정적 인 복원력을 보장하기 위해 무게 분포에 대한 정확한 제어를 가능하게했습니다. 이 기술자기 적으로 제어되는 자체 안정화 수영 biorobot을 생성합니다.

biorobot은 생물학적 액추에이터의 자연스러운 연장이기 때문에 생물학적 액추에이터와 biorobot은 매우 유사한 제조 프로세스를 가지고 있습니다 ( 그림 1 ). 생물학적 액추에이터는 바이오 오봇 (biiorobot)에 필요한 기술을 확립하고, 세포에 의해 생성 된 힘을 분석하고, 세포 성숙을 기계적 및 생화학 적으로 특징 짓기 위해 처음 개발되었습니다.이 두 부분은이 ?...

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

이 두 부분 연구에서 생물학적 액추에이터는 매우 유연한 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 캔틸레버와 살아있는 근육 세포 (cardiomyocytes)를 사용하여 개발되었으며 특징이 규명되었습니다. 생물학적 액추에이터는 자체 안정화 수영 biorobot을 만들기 위해 수정 된 PDMS 물질로 만들어진베이스와 통합되었습니다.

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