Name: cardiac muscle-cell based actuator and self-stabilizing biorobot - part 1
Uploaded: 2017-07-11T13:00:00
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MT Holley é apoiado pelo programa Graduate Fellows do Louisiana Board of Regents e C. Danielson é apoiado pelo Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Este estudo é apoiado por NSF Grant No: 1530884. Os autores agradecem o suporte da sala limpa no Centro de Microsistemas e Dispositivos Avançados (CAMD).

1. Calcular massa de PDMS e aditivos <ol><li> Use a seguinte equação para encontrar a massa de PDMS necessária para alturas específicas nos seguintes procedimentos, M = ρ * V = ρ * Altura * Área (1), Onde &#39;Altura&#39; é a altura da camada, &#39;Área&#39; é a área de um recipiente no qual o PDMS será curado, &#39;ρ&#39; é a densidade da mistura e &#39;V&#39; é o volume. NOTA: Densidades para cálculos de altura são PDMS = 0,965 g / mL, Ni-PDMS = 1,639 g / mL, MB-PDMS = 0,648 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>

Vários mecanismos de locomoção podem ser encontrados entre nadadores aquáticos 16 . O mecanismo de locomoção do biorobot neste estudo usa locomoção baseada em aletas, especificamente locomoção ostraciiforme. Os nadadores Ostraciiform propulsam-se meneando uma cauda (cantilever) e tendo um corpo rígido (base em camadas) 16 . Os peixes, como o peixe e o peixe-gato, usam esse tipo de locomoção. Os nadadores Ostraciiform são tipicamente lentos e têm dimensões c...

Atuadores biológicos e biorobots estão sendo ativamente estudados para fornecer uma alternativa à robótica convencional para inúmeras aplicações. Biorobots que caminham 5 , 6 , 7 , 8 , nadam 1 , 2 , 3 , 4 , bomba 9 , 10 ou aderência 11 , 12 , 13 Já foram desenvolvidos. Do mesmo modo, as células musculares podem ser incorporadas em uma estrutura 3D PDMS rolada 14 . Muitas vezes, os backbones de biorobot são fabricados usando técnicas de litografia suave com materiais como hidrogéis e PDMS (polidimetilsiloxano). Estas são escolhas atraentes devido à sua flexibilidade, biocompatibilidadeE rigidez facilmente ajustável. As células musculares vivas geralmente são incorporadas com esses materiais para fornecer geração de força através da contração. As células do músculo cardíaco de mamífero (cardiomiócitos) e as células musculares esqueléticas têm sido usadas predominantemente para atuação. Além desses dois, os tecidos musculares de insetos foram usados ​​para operar biorobots à temperatura ambiente 3 . Neste estudo de duas partes, cardiomiócitos foram escolhidos por causa de sua contração espontânea 6 . Grande parte das pesquisas anteriores sobre biorobots foi focada no desenvolvimento dos atuadores biológicos, enquanto a otimização da arquitetura biorobot e o desenvolvimento de funcionalidades essenciais para os biorobots foram largamente negligenciados. Recentemente, alguns relatórios demonstraram a implementação de diferentes modos de natação inspirados nos modos de propulsão encontrados na natureza. Esses métodos incorporam filmes PDMS e células musculares para imitar vários métodos de propulsão natural. Por exemplo, a propulsão à base de flagelos 1 , a propulsão de medusa biomimética 2 , o raio bio-híbrido 4 e os dispositivos de natação PDMS de película fina 13 foram relatados. Neste artigo, apresentamos o processo de fabricação de biorobots de natação auto-estabilizáveis ​​que podem manter a profundidade de imersão, bem como o passo e o rolo. O biorobot tem uma base ou corpo sólido, que é impulsionado por um único cantilever com cardiomiócitos anexados à sua superfície. Os cardiomiócitos fazem com que o cantilever se dobre em direção longitudinal quando se contraem. Esta forma de natação é classificada como natação ostraciiforme. A capacidade de adicionar funcionalidades adicionais na base é uma vantagem única da natação ostraciiforme. Por exemplo, a base pode ser utilizada para fornecer o excesso de flutuabilidade para transportar cargas adicionais ou circuitos de controle para a contração de cardiomiócitos. EstabilidadeDo biorobot foi muitas vezes ignorado em estudos anteriores de biorobots. Neste estudo, implementamos a auto-estabilização ao projetar a base com diferentes materiais PDMS compostos de diferentes densidades de massa. O biorobot exibe assim resistência a distúrbios externos e mantém a sua profundidade de submersão, pitch e roll, sem ajuda. A primeira camada é o PDMS microballoon (MB-PDMS), ou seja , o PDMS misturado com microballons, o que diminui a densidade do biorobot, permitindo que flutue na mídia. A segunda camada é a cantilever do PDMS, e sua espessura é adaptada de tal forma que a força gerada pelos cardiomiócitos pode dobrar drasticamente o cantilever de 45 ° a 90 °. A camada inferior é nickel-PDMS (Ni-PDMS), ou seja , PDMS misturado com pó de níquel. Esta camada executa várias funções. É magnético e, portanto, permite que o biorobot seja ancorado no fundo do meio, durante a semeadura celular, com um ímã. A mistura de níquel é de maior densidade do que o MB-PDMS eMédio, e assegure uma posição vertical do biorobot enquanto flutua. O peso desta camada gera um torque de restauração no biorobot em qualquer passo e rolo. Além disso, a relação de volume entre o Ni-PDMS e o MB-PDMS mantém a profundidade de submersão. Os protocolos apresentados seriam altamente úteis para pesquisadores interessados ​​em caracterizar a força de batimento de células musculares e tecidos, bem como aqueles que desejam construir biorobots de natação. A semeadura do atuador biológico funcionalizado e dos dispositivos biorobot, a caracterização mecânica e bioquímica das células e a análise quantitativa da função do dispositivo são descritas em detalhes na Parte 2 deste artigo de duas partes, bem como no trabalho recente 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

As máquinas biológicas, muitas vezes referidas como biorobots, são dispositivos vivos de células ou de tecido que são alimentados unicamente pela atividade contrátil de componentes vivos. Devido às suas vantagens inerentes, os biorobots estão ganhando interesse como alternativas aos robôs tradicionais totalmente artificiais. Vários estudos se concentraram no aproveitamento do poder dos atuadores biológicos, mas apenas estudos recentemente caracterizaram quantitativamente o desempenho de biorobots e estudaram sua geometria para melhorar a funcionalidade e a eficiência. Aqui, demonstramos o desenvolvimento de um biorobot de natação auto-estabilizador que pode manter seu tom, profundidade e rolo sem intervenção externa. O projeto e fabricação do andaime PDMS para o atuador biológico e biorobot seguido pela funcionalização com fibronectina é descrito nesta primeira parte. Na segunda parte deste artigo em duas partes, detalhamos a incorporação de cardiomiócitos e caracterizamos a actualização biológica.Função ator e biorobot. Ambos incorporam uma base e uma cauda (cantilever) que produzem propulsão baseada em aletas. A cauda é construída com técnicas de litografia suave usando PDMS e gravura a laser. Depois de incorporar a cauda com a base do dispositivo, é funcionalizada com uma proteína adesiva celular e semeada confluentemente com cardiomiócitos. A base do atuador biológico consiste em um bloco sólido de PDMS com um grânulo de vidro central (atua como um peso). A base do biorobot consiste em dois materiais PDMS compostos, Ni-PDMS e microballoon-PDMS (MB-PDMS). O pó de níquel (em Ni-PDMS) permite o controle magnético do biorobot durante a semeadura e estabilidade das células durante a locomoção. Microballoons (em MB-PDMS) diminuem a densidade de MB-PDMS, e permitem que o biorobot flutue e dê um salto constante. O uso desses dois materiais com diferentes densidades de massa permitiu um controle preciso sobre a distribuição do peso para garantir uma força de restauração positiva em qualquer ângulo do biorobot. Esta técnicaProduz um biorobot de natação auto-estabilizável controlado magneticamente.

O atuador biológico e o biorobot têm processos de fabricação muito semelhantes, pois o biorobot é uma extensão natural do atuador biológico ( Figura 1 ). O atuador biológico foi desenvolvido primeiro para estabelecer as técnicas necessárias para o biorobot, analisar a força gerada pelas células e caracterizar a maturação celular mecanicamente e bioquimicamente, ambas descritas detalhadamente na Parte 2 deste artigo de duas partes como Bem como em nosso trab...

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

Neste estudo de duas partes, um atuador biológico foi desenvolvido usando cantilevers de polidimetilsiloxano altamente flexíveis (PDMS) e células musculares vivas (cardiomiócitos) e caracterizados. O atuador biológico foi incorporado com uma base feita de materiais PDMS modificados para construir um biorobot de auto-estabilização e natação.

Atuador baseado em células musculares cardíacas e Biorobot auto estabilizante - PARTE 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 ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

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Studying Soft-matter and Biological Systems over a Wide Length-scale from Nanometer and Micrometer Sizes at the Small-angle Neutron Diffractometer KWS-2

Estudar Soft-matéria e Sistemas Biológicos longo de um comprimento escala larga de nanômetros e micrômetro Tamanhos no pequeno ângulo Neutron Difractï¿½etro KWS-2

The KWS-2 SANS diffractometer is dedicated to the investigation of soft matter and biophysical systems covering a wide length scale, from nm to &#181;m. ...

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

Atuador baseado em células musculares cardíacas e auto-estabilizante Biorobot - Parte 2

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Avaliação de Eletrofisiologia Cardíaca Pré-Plínica por Mapeamento Óptico de Dupla Tensão e Cálcio de Fatias Cardíacas Organotípicas Humanas

Human cardiac slice preparations have recently been developed as a platform for human physiology studies and therapy testing to bridge the gap between ...

Fabrication of 3D Cardiac Microtissue Arrays using Human iPSC-Derived Cardiomyocytes, Cardiac Fibroblasts, and Endothelial Cells

Fabricação de matrizes microtissue cardíacas 3D usando Cardiomiócitos derivados do iPSC humano, fibroblastos cardíacos e células endoteliais

Generation of human cardiomyocytes (CMs), cardiac fibroblasts (CFs), and endothelial cells (ECs) from induced pluripotent stem cells (iPSCs) has provided ...