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

MT Holley stöds av Graduate Fellows programmet från Louisiana Board of Regents och C. Danielson stöds av Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Denna studie stöds av NSF Grant No: 1530884. Författarna vill tacka stöd för renrummet vid Center for Advanced Microstructures and Devices (CAMD).

1. Beräkna massan av PDMS och tillsatser <ol><li> Använd följande ekvation för att hitta massan av PDMS som behövs för specifika höjder i följande procedurer, M = ρ * V = ρ * Höjd * Område (1), Där &#39;Höjd&#39; är skiktets höjd, &#39;Area&#39; är området för en behållare som PDMS kommer att botas i, &#39;ρ&#39; är blandningens densitet och &#39;V&#39; är volymen. OBS: Densiteter för höjdberäkningar är PDMS = 0,965 g / ml, Ni-PDMS = 1,639 g / ml, MB-PDMS = 0,678 g / ml....

<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>

Olika rörelsesmekanismer finns bland vattenlevande simmare 16 . Biorobots rörelsesmekanism i denna studie använder finbaserad rörelse, speciellt ostraciiform lokomotion. Ostraciiformsvimmare driver sig genom att sväva en svans (cantilever) och ha en styv kropp (skiktad bas) 16 . Fisk som boxfish och cowfish använder denna typ av rörelse. Ostraciiformsvimmare är vanligtvis långsamma och har ineffektiva kroppsdimensioner. Även om ostraciiform simning saknar hastigh...

Biologiska ställdon och biorobot studeras aktivt för att ge ett alternativ till konventionell robotik för många tillämpningar. Biorobots som går 5 , 6 , 7 , 8 , simma 1 , 2 , 3 , 4 , pump 9 , 10 eller grepp 11 , 12 , 13 Har redan utvecklats. På liknande sätt kan muskelceller inkorporeras i en 3D-rullad PDMS-struktur 14 . Ofta tillverkas biorobot backbones med hjälp av mjuk litografi tekniker med material som hydrogeler och PDMS (polydimetylsiloxan). Dessa är attraktiva val på grund av deras flexibilitet, biocompatibIlity, och lätt avstämbar styvhet. Levande muskelceller införlivas vanligtvis med dessa material för att ge kraftgenerering genom sammandragning. Mammaliska hjärtmuskelceller (kardiomyocyter) och skelettmuskelceller har dominerande använts för aktivering. Förutom dessa två har insektsmusklerna använts för att driva biorobot vid rumstemperatur 3 . I denna tvådelade studie valdes kardiomyocyter på grund av deras spontana sammandragning 6 . Mycket av tidigare forskning om biorobots var inriktad på att utveckla de biologiska manöverorganen medan optimering av biorobotarkitekturen och utvecklingen av väsentliga funktioner för biorobotten i stor utsträckning försummade. Nyligen visade några rapporter genomförandet av olika simningslägen som inspirerades av framdrivningsmetoder som finns i naturen. Dessa metoder innefattar PDMS-filmer och muskelceller för att efterlikna olika naturliga framdrivningsmetoder. Till exempel har flagella-baserad framdrivning 1 , biomimetisk maneter framdrivning 2 , biohybrid strålning 4 och tunnfilm PDMS-svimningsanordningar 13 rapporterats. I det här dokumentet presenterar vi tillverkningsprocessen av självstabiliserande badbiorobot som kan bibehålla nedsänkningshöjden såväl som pitch och roll. Bioroboten har en fast bas eller kropp, som drivs av en enda cantilever med kardiomyocyter fästa vid dess yta. Kardiomyocyterna orsakar att cantileverna böjer i längdriktningen när de sammandrags. Denna form av simning klassificeras som ostraciiform simning. Möjligheten att lägga till ytterligare funktioner på basen är en unik fördel med ostraciiform simning. Basen kan till exempel användas för att tillhandahålla överskott av flytkraft för att bära ytterligare laster eller kontrollkretsar för kardiomyocytkontraktion. StabilitetAv bioroboten blev ofta förbisedd i tidigare studier av biorobot. I denna studie genomförde vi självstabilisering genom att utforma basen med olika komposit-PDMS-material med varierande massdensiteter. Bioroboten uppvisar sålunda motstånd mot yttre störningar och upprätthåller dess nedsänkningsdjup, tonhöjd och rulle, utan hjälp. Det första skiktet är microballoon PDMS (MB-PDMS), det vill säga PDMS blandat med mikroballonger, vilket sänker biorobotens densitet, vilket gör det möjligt att flyta i media. Det andra skiktet är PDMS cantilever, och dess tjocklek är skräddarsydd så att kraft genererad av kardiomyocyterna kan dramatiskt böja cantilevern från 45 ° till 90 °. Bottenskiktet är nickel-PDMS (Ni-PDMS), dvs PDMS blandat med nickelpulver. Detta lager utför flera funktioner. Det är magnetiskt och tillåter därför att biorobot förankras i botten av mediet under cellsåkning med en magnet. Nickelblandningen har högre densitet än MB-PDMS ochMedium och säkerställa en upprätt position av biorobot medan flytande. Vikten av detta skikt genererar ett återställningsmoment på biorobot vid vilken tonning som helst. Även volymen mellan Ni-PDMS och MB-PDMS upprätthåller dämpningsdjupet. De presenterade protokollen skulle vara mycket användbara för forskare som är intresserade av att karakterisera slagkraften hos muskelceller och -vävnader, liksom de som vill bygga badbiorobot. Utsläppen av det funktionaliserade biologiska aktuatorn och biorobotanordningarna, den mekaniska och biokemiska karakteriseringen av cellerna och den kvantitativa analysen av enhetsfunktionen beskrivs i detalj i del 2 i denna tvådelade artikel såväl som i det senaste arbetet 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

Biologiska maskiner som ofta kallas biorobots, är levande cell- eller vävnadsbaserade enheter som drivs enbart av kontraktile aktiviteten hos levande komponenter. På grund av deras inneboende fördelar blir biorobots intressanta som alternativ till traditionella helt artificiella robotar. Olika studier har fokuserat på att utnyttja kraften hos biologiska ställdon, men nyligen har studier kvantitativt karakteriserat biorobots prestanda och studerat sin geometri för att förbättra funktionaliteten och effektiviteten. Här demonstrerar vi utvecklingen av en självstabiliserande biorobot som kan behålla sin tonhöjd, djup och rulle utan yttre ingrepp. Konstruktionen och tillverkningen av PDMS-ställningen för det biologiska ställdonet och biorobot följt av funktionaliseringen med fibronektin beskrivs i denna första del. I den andra delen av denna tvådelade artikel detaljerar vi införlivandet av kardiomyocyter och karakteriserar det biologiska trycketAtor och biorobot funktion. Båda innehåller en bas och svans (cantilever) som producerar finbaserad framdrivning. Svansen är konstruerad med mjuka litografitekniker som använder PDMS och lasergravering. Efter inkorporering av svansen med anordningens bas, funktionaliseras den med ett cellhäftande protein och sådd sammanflödigt med kardiomyocyter. Basen av det biologiska ställdonet består av ett fast PDMS-block med en central glaspärla (fungerar som en vikt). Basen av biorobot består av två komposit-PDMS-material, Ni-PDMS och mikroballong-PDMS (MB-PDMS). Nickelpulvret (i Ni-PDMS) möjliggör magnetisk styrning av biorobot under cellerna sådd och stabilitet under rörelse. Mikroballonger (i MB-PDMS) minskar densiteten hos MB-PDMS, och gör det möjligt för biorobot att flyta och simma stadigt. Användningen av dessa två material med olika massdensiteter möjliggjorde exakt kontroll över viktfördelningen för att säkerställa en positiv återställningskraft vid vilken vinkel som helst av bioroboten. Denna teknikProducerar en magnetiskt styrd självstabiliserande biorobot.

Det biologiska ställdonet och biorobot har mycket liknande tillverkningsprocesser, eftersom biorobot är en naturlig förlängning av det biologiska ställdonet ( Figur 1 ). Det biologiska ställdonet utvecklades först för att fastställa tekniker som krävdes för biorobot, för att analysera kraften som genererades av cellerna och för att karakterisera cellmognad mekaniskt och biokemiskt, vilka båda beskrivs i detalj i del 2 i denna tvådelade artikel som Liksom i...

Watch this Scientific Journal Video about Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1 at JoVE.com

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

I denna tvådelade studie utvecklades ett biologiskt manöverdon med användning av mycket flexibla polydimetylsiloxan (PDMS) cantilevers och levande muskelceller (kardiomyocyter) och karakteriserades. Det biologiska manöverdonet inkorporerades med en bas gjord av modifierade PDMS-material för att bygga en självstabiliserande, simma biorobot.

Cardiac Muscle Cell Based Actuator och självstabiliserande Biorobot - DEL 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

Microfluidic pikoliter Bioreaktor för Microbial Encelliga Analys: Fabrication, Systeminställningar, och Operation

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described ...

Shock Wave Application to Cell Cultures

Shock waves nowadays are well known for their regenerative effects. Basic research findings showed that shock waves do cause a biological stimulus to ...

Construction of Defined Human Engineered Cardiac Tissues to Study Mechanisms of Cardiac Cell Therapy

Konstruktion av definierade mänskliga Engineered hjärtvävnader att studera mekanismer för Cardiac Cellterapi

Human cardiac tissue engineering can fundamentally impact therapeutic discovery through the development of new species-specific screening systems that ...

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

Studera Soft-materia och biologiska system över ett brett Längd skala från nanometer och mikrometer storlek vid liten vinkel Neutron Diffractometer 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

Cardiac Muscle Cell-baserad Actuator och självstabiliserande Biorobot - Del 2

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

Protocol for MicroRNA Transfer into Adult Bone Marrow-derived Hematopoietic Stem Cells to Enable Cell Engineering Combined with Magnetic Targeting

Protokoll för mikroRNA överföring till benmärgen-härrör hematopoetiska stamceller att aktivera Cell teknik kombinerat med magnetiska inriktning

While CD133+ hematopoietic stem cells (SCs) have been proven to provide high potential in the field of regenerative medicine, their low retention rates ...

A Net Mold-based Method of Scaffold-free Three-Dimensional Cardiac Tissue Creation

En netto mögel-baserade metod byggnadsställning-fri tredimensionella hjärtvävnad skapelsens

This protocol describes a novel and easy net mold-based method to create three-dimensional (3-D) cardiac tissues without additional scaffold material. ...

Preclinical Cardiac Electrophysiology Assessment by Dual Voltage and Calcium Optical Mapping of Human Organotypic Cardiac Slices

Preklinisk hjärtelektrofysiologisk bedömning av dubbel spänning och kalciumoptisk kartläggning av mänskliga organotypiska hjärtskivor

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

Tillverkning av 3D Cardiac Microtissue Arrays med mänskliga iPSC-härledda kardiomyocyter, hjärtfibblaster och endotelceller

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