Name: bioinspired soft robot with incorporated microelectrodes
Uploaded: 2020-02-28T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes at JoVE.com

تم تمويل هذه الورقة من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R01AR074234، R21EB026824، R01 AR073822-01)، معهد أبحاث بريغهام يخطو جائزة مبتكرة قوية، وجائزة مشروع AHA المبتكر (19IPLOI34660079).

وقد أجريت هذه الدراسة وفقا ً للتوصيات الواردة في دليل رعاية واستخدام الحيوانات المختبرية للمعاهد الوطنية للصحة. تمت الموافقة على البروتوكول من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها (IACUC) في مستشفى بريغهام ومستشفى النساء.
1. جيلما التوليف
<ol><li>حل 10 غرام من الجيلات...

<ol>
	<li>Nawroth, J. 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=A+tissue-engineered+jellyfish+with+biomimetic+propulsion.">A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion.</a> Nature Biotechnology. 30 (8), 792-797 (2012).</li><li>Park, S. 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=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>Laschi, 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=Soft+Robot+Arm+Inspired+by+the+Octopus.">Soft Robot Arm Inspired by the Octopus.</a> Advanced Robotics. 26 (7), 709-727 (2012).</li><li>Alapan, Y., 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=Soft+erythocyte-based+bacterial+microswimmers+for+cargo+delivery.">Soft erythocyte-based bacterial microswimmers for cargo delivery.</a> Science Robotics. 3 (17), 4423 (2018).</li><li>Magdanz, V., Sanchez, S., Schmidt, O. G. <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+a+Sperm-Flagella+Driven+Micro-Bio-Robot.">Development of a Sperm-Flagella Driven Micro-Bio-Robot.</a> Advanced Materials. 25 (45), 6581-6588 (2013).</li><li>Rus, D., Tolley, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design,+fabrication+and+control+of+soft+robots.">Design, fabrication and control of soft robots.</a> Nature. 521 (7553), 467-475 (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 (18), 3473-3484 (2016).</li><li>Shin, S. R., 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=Aligned+Carbon+Nanotube&#8211;Based+Flexible+Gel+Substrates+for+Engineering+Biohybrid+Tissue+Actuators.">Aligned Carbon Nanotube&#8211;Based Flexible Gel Substrates for Engineering Biohybrid Tissue Actuators.</a> Advanced Functional Materials. 25 (28), 4486-4495 (2015).</li><li>Shin, S. R., 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=Carbon-nanotube-embedded+hydrogel+sheets+for+engineering+cardiac+constructs+and+bioactuators.">Carbon-nanotube-embedded hydrogel sheets for engineering cardiac constructs and bioactuators.</a> ACS Nano. 7 (3), 2369-2380 (2013).</li><li>Shin, S. R., 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=Electrically+Driven+Microengineered+Bioinspired+Soft+Robots.">Electrically Driven Microengineered Bioinspired Soft Robots.</a> Advanced Materials. 30 (10), 1704189 (2018).</li><li>Tye, K. M., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+investigation+of+neural+circuits+underlying+brain+disease+in+animal+models.">Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models.</a> Nature Reviews Neuroscience. 13 (4), 251-266 (2012).</li><li>Feinberg, A. W., 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=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>Jia, Z., 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=Stimulating+cardiac+muscle+by+light:+cardiac+optogenetics+by+cell+delivery.">Stimulating cardiac muscle by light: cardiac optogenetics by cell delivery.</a> Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 4 (5), 753-760 (2011).</li><li>Shin, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+Nanotube+Reinforced+Hybrid+Microgels+as+Scaffold+Materials+for+Cell+Encapsulation.">Carbon Nanotube Reinforced Hybrid Microgels as Scaffold Materials for Cell Encapsulation.</a> ACS Nano. , (2013).</li></ol>

باستخدام هذه الطريقة ، تمكنا من تصنيع بنجاح روبوت لينة تشبه السمك الخفافيش مع نسيج قلبي متكامل ذاتي التشغيل على سقالة منظمة متعددة الطبقات يتم التحكم فيها بواسطة أقطاب الاتحاد الافريقي الدقيقة المضمنة. نظرًا لطبقتين هيدروجيل مُنميتين صغيرتين مصنوعتين من البُيْدِد وCNT-GelMA، أظهرت السقالة ...

الحديثة للدولة من بين الفن الروبوتات الناعمة يمكن أن تحاكي الهياكل الهرمية وديناميات العضلات من العديد من الكائنات الحية، مثل قنديل البحر1،2،لدغة راي2،الأخطبوط3،البكتيريا4،والحيوانات المنوية5. محاكاة ديناميات والعمارة من النظم الطبيعية يقدم أداء أعلى من حيث كل من الكفاءة النشطة والهيكلية6. ويرتبط هذا ارتباطاً جوهرياً بالطبيعة الناعمة للأنسجة الطبيعية (مثل الجلد أو الأنسجة العضلية مع معامل يونغ بين 104-109 باسكال) الذي يسمح بدرجات أعلى من الحرية والتشوه العالي والقدرة على التكيف بالمقارنة مع المنفعلين الهندسيين القياسيين (على سبيل المثال، معامل يونغ عادة بين 109-1012 باسكال)6. القلب العضلات القائمة على التعمل اللينة، وخاصة، تظهر كفاءة الطاقة متفوقة بسبب التشغيل الذاتي، فضلا عن إمكاناتها للإصلاح الذاتي والتجديد بالمقارنة مع نظام الروبوتية القائمة ميكانيكيا7. ومع ذلك ، فإن تصنيع الروبوتات الناعمة يمثل تحديًا بسبب ضرورة دمج مكونات مختلفة ذات خصائص فيزيائية وبيولوجية وميكانيكية مختلفة في نظام واحد. فعلى سبيل المثال، يلزم أن تتكامل النظم الاصطناعية المهندسة مع النظم البيولوجية الحية، لا أن توفر لها الدعم الهيكلي فحسب، بل أيضا التأثير على سلوكها المنفّز وتحويره. وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب العديد من أساليب التصنيع الدقيق عمليات قاسية/سامة للخلايا والمواد الكيميائية التي تقلل من جدوى ووظيفة أي مكونات حية. لذلك ، هناك طرق جديدة ضرورية لتعزيز وظائف الروبوتات الناعمة والتحكم في سلوكها وتحويره.
لدمج المكونات الحية بنجاح مع قابلية جيدة للحياة ، فإن السقالة القائمة على الهيدروجيل هي مادة ممتازة لإنشاء جسم روبوت ناعم. يمكن بسهولة ضبط الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لـ hydrogel لإنشاء بيئات دقيقة للمكونات الحية مثل أنسجة العضلات8و9. أيضا، فإنه يمكن بسهولة اعتماد تقنيات microfabrication المختلفة، مما أدى إلى إنشاء هياكل هرمية مع دقة عالية1،2،10. يمكن دمج الأجهزة الإلكترونية المرنة في الروبوت الناعم للتحكم في سلوكه مع التحفيز الكهربائي. على سبيل المثال ، تم استخدام تقنيات البولوجيل لهندسة الخلايا الكهروجينية (على سبيل المثال ، خلايا القلب ) ، والتي تظهر تنشيطًا إلوفيزيولوجيًا يعتمد على الضوء ، لتطوير شعاع اللدغة اللين ة اللين القائم على polydimethylsiloxan (PDMS) الموجه بالضوء الذي كان قادرًا على إعادة الحركة اللادسيدية للأسماك في المختبر2. على الرغم من أن التقنيات البوجينية أظهرت إمكانية تحكم ممتازة ، فإن العمل المعروض يستخدم التحفيز الكهربائي ، وهو أسلوب محاكاة تقليدي وتقليدي. وذلك لأن التحفيز الكهربائي عبر الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة سهل وبسيط مقارنة بالتقنيات الراجعة الجينية ، والتي تتطلب عمليات تطوير واسعة النطاق11. استخدام الأجهزة الإلكترونية المرنة يمكن أن تسمح لتحفيز على المدى الطويل وعمليات التصنيع القياسية / البسيطة، فضلا عن التوافق الحيوي غير قابل للعجز والخصائص الفيزيائية والميكانيكية12،13.
هنا ، نقدم طريقة مبتكرة لتصنيع روبوت ناعم مستوحى من الحيوية ، يعمل بضرب أنسجة عضلة القلب المهندسة ويتم التحكم فيه عن طريق التحفيز الكهربائي من خلال أقطاب Au الدقيقة المرنة المضمنة. تم تصميم الروبوت لينة لتقليد العضلات والغضاريف هيكل الشعاع اللاذع. الشعاع اللاذع هو كائن حي مع هيكل سهل نسبيا لتقليد والحركة بالمقارنة مع أنواع السباحة الأخرى. يتم إعادة إنشاء العضلات في المختبر عن طريق زرع خلايا القلب على ميكروجيل موصل كهربائيا. كما ذكر سابقا، ودمج الجسيمات النانوية موصل كهربائيا مثل CNT في هيدروجيل GelMA ليس فقط يحسن اقتران الكهربائية من الأنسجة القلبية، ولكن أيضا يحفز ممتازة في هندسة الأنسجة المختبرية والترتيب8،9. ثم يتم محاكاة مفاصل الغضاريف باستخدام نمط هيدروجيل PEGDA قوي ميكانيكياً يعمل كركيزة قوية ميكانيكياً للنظام بأكمله. يتم تضمين الأقطاب الميكروكهربائية Au المرنة ذات النمط الثعباني في نمط PEGDA لتحفيز أنسجة القلب محليًا وكهربائيًا.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>250 mL Beaker</td>
			<td>PYREX</td>
			<td>1000-250CNEa</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Hydroxy-4&#39;-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>410896</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate</td>
			<td>Milipore</td>
			<td>M6514</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>37&#176; Water bath</td>
			<td>VWR</td>
			<td>W6M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4&#39;,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D9542</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50mL Conical Centrifuge Tubes</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>14-959-49A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>70 &#181;m Cell Strainer</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>352350</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>80&#176; incubator</td>
			<td>VWR</td>
			<td>1370GM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG (H+L)</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>A11029</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG (H+L)</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>A11037</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor 488 Phalloidin</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>A12379</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Antibiotic/Antimycotic solution</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>15240062</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-Connexin 43/GJAI antibody</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab11370</td>
			<td>Rabbit polyclonal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-Sarcomeric &#945;-actinin</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab9465</td>
			<td>Mouse monoclonal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benchtop Freeze Dryers</td>
			<td>Labconco</td>
			<td>77500-00 K</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biosafety cabinet</td>
			<td>Sterilgard</td>
			<td>A/B3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon rod electrodes</td>
			<td>SGL Carbon Group</td>
			<td>6971105</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>5804</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CO2 incubator</td>
			<td>Forma Scientific</td>
			<td>3110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collagenase, Type II, Powder</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>17-101-015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal Microscope</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>LSM 880</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COOH Functionalized Carbon Nanotubes</td>
			<td>NanoLab</td>
			<td>PD30L5-20-COOH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dicing saw machine</td>
			<td>Giorgio Technology</td>
			<td>DAD-321</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM, High Glucose</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>11-965-118</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DPBS without Calcium and Magnesium</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>14-190-144</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E-beam evaporator</td>
			<td>CHA</td>
			<td>57367</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>10-437-028</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gelatin</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>G9391</td>
			<td>Type B, 300 bloom from porcine skin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass slide</td>
			<td>VWR</td>
			<td>48382-180</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HBSS without Calcium, Magnesium or Phenol Red</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>14-175-079</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inverted optical microscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>CK40</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic hotplate</td>
			<td>Corning</td>
			<td>PC-420</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>methacrylic anhydride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>276695</td>
			<td>Contains 2,000ppm topanol A as inhibitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nunc EasYFlask 175cm2</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>159910</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Olicscope</td>
			<td>Siglent</td>
			<td>SDS1052DL+</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraformaldehyde Aqueous Solution -16%</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>15710</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PDMS SYLGARD 184</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>761036</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photomask</td>
			<td>Mini micro stencil inc</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Platinum wire</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>AA43014BU</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene glycol dimethcrylate</td>
			<td>Polysciences Inc.</td>
			<td>15178-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Regenerated Cellulose Dialysis Tubing</td>
			<td>Fisherbrand</td>
			<td>21-152-14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver Epoxy Adhesive</td>
			<td>MG Chemicals</td>
			<td>8330S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stericup Quick Release-GP Sterile Vacuum Filtration System</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>S2GPU02RE</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultra sonicator</td>
			<td>Qsonica</td>
			<td>Q500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV Curing System</td>
			<td>OmniCure</td>
			<td>S2000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vortex mixer</td>
			<td>Scientific Industry</td>
			<td>SI-0246A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Waveform generator</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>33500B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wrap Aluminium foil</td>
			<td>Reynolds</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

bioinspired soft robot with incorporated microelectrodes

الأنظمة الروبوتية الناعمة المستوحاة من الحيوية التي تحاكي الكائنات الحية باستخدام الأنسجة العضلية المهندسة والمواد الحيوية تحدث ثورة في النموذج الحالي للروبوتات الحيوية ، خاصة في البحوث الطبية الحيوية. إن إعادة إنشاء ديناميكيات تشغيل اصطناعية تشبه الحياة أمر بالغ الأهمية لنظام روبوتي ناعم. ومع ذلك ، فإن التحكم الدقيق وضبط سلوك المحرك لا يزال يمثل أحد التحديات الرئيسية للأنظمة الروبوتية الناعمة الحديثة. تصف هذه الطريقة إجراء منخفض التكلفة وقابل للتطوير للغاية وسهل الاستخدام لتصنيع روبوت ناعم يمكن التحكم فيه كهربائيًا بحركات تشبه الحياة يتم تنشيطها والتحكم فيها من خلال تقلص أنسجة عضلة القلب على لدغة دقيقة سقالة هيدروجيل تشبه الأشعة. استخدام الأساليب الفوتوليثوغرافية الناعمة يجعل من الممكن لدمج مكونات متعددة بنجاح في النظام الروبوتي لينة، بما في ذلك السقالات الهيدروجيل المصممة micropatterned مع الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) جزءا لا يتجزأ من ميثاكريليل الجيلاتين (CNT-GelMA)، بولي (جلايكول الإيثيلين) diacrylate (PEGDA)، والذهب المرن (Au) microelectrodes، والأنسجة العضلية القلبية. على وجه الخصوص ، تم تصميم محاذاة الهيدروجيلووووبلوميكرومليكل لتقليد بنية العضلات والغضاريف للشعاع اللاذع. يعمل هيدروجيل CNT-GelMA الموصل كهربائيًا بمثابة سقالة خلية تعمل على تحسين سلوك النضج والانكماش في خلايا القلب ، في حين يوفر HYDROGel PEGDA القوي ميكانيكيًا دعمًا هيكليًا يشبه الغضاريف للروبوت الناعم بأكمله. للتغلب على الطبيعة الصعبة والهشة للأقطاب الكهربائية الدقيقة القائمة على المعادن ، قمنا بتصميم نمط ثعبان يتمتع بمرونة عالية ويمكن أن يتجنب إعاقة ديناميكيات ضربات القلب. توفر الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة المدمجة في Au التحفيز الكهربائي عبر الروبوت الناعم ، مما يجعل من السهل التحكم في سلوك انكماش أنسجة القلب.

تدفق الرسم البياني للخطوات اللازمة لتطوير Au microelectrode أدرجت bioinspired الروبوت لينة كان الهدف من تصميم الروبوت الناعم هو بناء غشاء قادر على تشغيل حركة السباحة بأقل قدر من التعقيد. يجب أن يكون الهيكل قادرًا على الحفاظ على الانثناءات القوية مرارًا وتكرارًا بمرور الوقت (حوالي 1 هرتز) وأن...

Watch this Scientific Journal Video about Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes at JoVE.com

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

يتم تصنيع سقالة مستوحاة من الحيوية بواسطة تقنية الطباعة الحجرية الضوئية الناعمة باستخدام هيدروجيلات ميكانيكية قوية وموصلة كهربائيا. توفر الهيدروجيلات المجهرية محاذاة خلايا القلب الخلايا الاتجاهية ، مما يؤدي إلى اتجاه مصمم خصيصًا للتنشيط. كما يتم دمج الأقطاب الكهربائية الدقيقة المرنة في السقالة لجلب إمكانية التحكم الكهربائية لأنسجة القلب ذاتية التشغيل.

Bioinspired لينة روبوت مع Microelectrodes المدمجة

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics ...

يمكن لدينا طريقة جديدة لتلفيق التحكم كهربائيا المحرك bioinspired التغلب ليس فقط على الحد من المحرك الحيوي الموجود، ولكن أيضا تعزيز أداء بقوة من المحرك القائم على الخلية. باستخدام هذه التقنية منخفضة التكلفة وسهلة التعامل ، يمكن التحكم في سلوك التشغيل للروبوت الناعم الحيوي وضبطه مما يؤدي إلى التحفيز في الوقت الحقيقي. يمكن أن تمتد طريقتنا الجديدة في تطبيق جهاز إلكتروني مرن قابل للزرع لاسلكياً قابل للزرع لتجديد القلب.ويمكن أيضا أن تكون هذه الطريقة بمثابة منصة جديدة لدراسة التحفيز الكهربائي المحلي للنيايات الكامنة الخلية. تبدأ عن طريق حل 80 ملليغرام من GelMA في أربعة ملليلتر من برنامج تلفزيوني دولبيككو. ثم إضافة 20 ملليغرام من حمض الكربوكسيلي وظيفية متعددة الجدران نانويب الكربون و sonicate الحل لمدة ساعة واحدة في 660 millihertz و 100 واط.لإنشاء micropatterned PEGDA، ضع طبقة واحدة من 50 ميكرومتر سميكة الشريط الشفاف التجاري إلى شريحة زجاجية مغلفة TMSPMA واحد، صب 15 ميكرولترات من 20٪ PEGDA حل prepolymer على رأس الشريحة الزجاجية المغلفة، ثم تغطيتها مع microelectrodes الذهب. ضع أول قناع ضوئي على قمة الشريحة وتعرّض البناء بأكمله إلى 200 واط من الأشعة فوق البنفسجية عند 800 مللي واط من الشدة ومسافة ثمانية سنتيمتر لمدة 110 ثوانٍ. في نهاية التعرض للأشعة فوق البنفسجية، وضع الشريحة الزجاجية في برنامج تلفزيوني في دولبيككو.إضافة 20 قطرات ميكرولتر من الكربون نانوتيتوب جيلما حل prepolymer بين الفواصل. بعد خمس إلى 10 دقائق، قم بفصل بعناية هيدروجيل PEGDA الصغير و microelectrodes الذهب من الركيزة الزجاجية غير المصقول ووضع الشريحة رأسا على عقب على الفواصل. إصلاح الشريحة إلى الطبق مع شريط لاصق والوجه التجمع بأكمله رأسا على عقب.ضع قناع ضوئي ثاني على الشريحة الزجاجية وتعرّض الجمعية لضوء الأشعة فوق البنفسجية كما هو موضح لمدة 200 ثانية. في نهاية التعرض، وغسل سقالة مرة واحدة مع برنامج تلفزيوني Dulbecco الطازجة ومواحدة مرة واحدة مع متوسطة ثقافة الخلية تكملها 10٪ مصل الأبقار الجنينية. ثم ضع السقالة في وسط جديد في طبق بيتري جديد في حاضنة درجة 37 درجة مئوية بين عشية وضحاها.بعد عزل القلب من قلوب الفئران الوليدية التي يبلغ عمرها يومين وفقًا للبروتوكولات القياسية ، أعيد تركيز الخلايا بمعدل 1.95 مرة 10 إلى الخلايا الست لكل ملليلتر من تركيز القلب المتوسط وبذرت الخلايا على الروبوت الناعم الملفق في القطرات. عندما تم تغطية السطح بأكمله من الجهاز، احتضان العينات في 37 درجة مئوية لمدة خمسة أيام، واستبدال ناظر الثقافة مع خمسة ملليلتر من خلية جديدة ثقافة المتوسطة تكملها 2٪ مصل الأبقار الجنين و 1٪ L-الجلوتامين في الأيام الأولى والثانية بعد البذر. لتقييم الضرب التلقائي للقلب العضلي القلب على الروبوت الناعم ، بدءًا من اليوم الثالث من الثقافة ، ضع الروبوت على مرحلة المجهر البصري المقلوب واستخدم برنامجًا هدفًا التقاط فيديو 5X أو 10X لتصوير نشاط cardiomyocyte لمدة 30 ثانية بمعدل 20 إطارًا في الثانية.في اليوم الخامس، استخدم شريحة غطاء لرفع الأغشية على الحافة برفق. باستخدام جهاز بي إم إس إم متباعدة ثلاثة سنتيمترات كصاحب، قم بلصق أقطاب قضيب كربوني مع سلك بلاتيني إلى طبق بيتري ستة سنتيمترات مليء بوسيطة القلب ونقل الروبوت الناعم بعناية إلى الطبق. ثم تطبيق الموجي مربع مع عرض نبض 50 مللي ثانية، مباشرة قيمة الإزاحة الحالية من فولت صفر، وذرية الجهد السعة بين 0.5 و 6 فولت.للتحفيز الكهربائي مع ميكروكيلترودات الذهب، بعد تصنيع بناء متعدد الطبقات، واستخدام عجينة الفضة لإرفاق اثنين من أسلاك النحاس إلى أقطاب الذهب من خلال منفذ مربع خارجي وتغطية عجينة مع طبقة رقيقة من PDMS الشفاء المسبق في 80 درجة مئوية لمدة خمس دقائق. ثم ضع العينة على صفيحة ساخنة عند 45 درجة مئوية لمدة خمس ساعات لتربط بشكل كامل PDMS. بعد seeding cardiomyocyte على الأسلاك المتصلة الروبوت لينة، وتطبيق حافز كهربائي موجة مربعة على الأسلاك النحاسية مع قيمة إزاحة الحالية المباشرة من فولت واحد، وطاقة ذروة سعة الجهد بين 1.5 و 5 فولت، وترددات من 0.5، واحد، واثنين من هيرتز على التوالي.تم تصميم هذه الروبوتات الناعمة من خلال التحلل البيولوجي لأنماط حيوانين مائيين مختلفين، نجم البحر وشعاع مانتا. أظهرت طبقات الجيلما النانوية المبذرة في القلب من طبقات الجيلما سلوكيات مختلفة للنبض وفقًا لمسافات النمط. لمنع لا رجعة فيه كاملة المتداول من الروبوت الناعمة خلال الضرب الديناميكي للقلب العضلي، تم تحسين التباعد نمط طبقة دعم هيدروجيل PEGDA إلى 300 ميكرومتر.في هذه الإطارات المكتسبة من تسجيلات انكماش، يمكن ملاحظة مشغل على شكل شعاع مانتا بوضوح الانحناء الأجنحة كما هو متوقع مع الذيل موازنة الهيكل عن طريق استقامة عندما كانت أجنحة إغلاق بقوة في الوسط. بعض الأغشية تظهر حركة دوارة أثناء الانكماش بسبب عدم الانحياز ميكروباتي الأنابيب النانوية الكربونية GelMA وPEGDA هيدروجيلس. يمكن أيضًا تصور أنسجة القلب على أنماط PEGDA الصغيرة والجيلما النانوية الكربونية من خلال التصوير confocal F-actin DAPI.يمكن أيضًا ملاحظة محاذاة ساركوميري أحادية المحور الجزئية وهياكل الساركومير المترابطة على المناطق المنقوشة عن طريق المجهر confocal وكذلك هياكل ساركومير المترابطة من أنسجة القلب الموجودة مباشرة فوق ميكروليكتروديس. يختلف الجهد العتبي للإثارة عند ترددات مختلفة من التحفيز الكهربائي من خلال قطب الكربون الخارجي أو السلك النحاسي المتصل بأقطاب الذهب. عملية الربط عبر الأشعة فوق البنفسجية من PEGDA وجيلما micropatterning باستخدام الاشماع الضوئية مهم للحصول على جودة عالية الذهب microelectrode دمج multiطبقات التي تغطيها.يمكن استخدام الطباعة الحيوية لاختلاق هيدروجيل micropatterned وكهرباء مرنة. استخدمنا الطباعة البيولوجية للحصول على روبوت ناعم محدد هندسيًا بطريقة سريعة وغير مكلفة وعالية الإنتاجية. ويمكن أن تسهم طريقتنا في تطوير التحفيز الكهربائي اللاسلكي للروبوت الناعم من خلال دمج الجهاز الإلكتروني المرن مباشرة في سقالة تعمل على أساس الهيدروجيل.يجب التعامل مع الأنابيب النانوية الكربونية والمذيبات العضوية دائمًا داخل غطاء محرك السيارة حيث يمكن لألياف الأنابيب النانوية الكربونية أن تشق طريقها إلى الرئتين مما يشكل خطرًا على تطور السرطان.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

التكيف من الروبوت في الرنين المغناطيسي الوظيفي لمسي 3T

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

تصميم روبوت الحيوية استجابة من اوريغامي الحمض النووي

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

بروتوكول لتصميم Bioinspired: أخذ العينات الجوفية بناء على قنفذ البحر الفك المفترس

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, ...

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

توصيف النشاط الحيوي للأنسجة لينة الإنسان عن طريق المسافة البادئة واختبار الشد

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should ...

Medical-grade Sterilizable Target for Fluid-immersed Fetoscope Optical Distortion Calibration

الطبية الصف الهدف تعقيمها ل-مغمورة السائل منظار الجنين البصرية تشويه المعايرة

We have developed a calibration target for use with fluid-immersed endoscopes within the context of the GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal ...

Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

تحضير مزيج سريع من Bioinspired النانو هيدروكسيباتيت للتطبيقات الطبية الحيوية

Hydroxyapatite (HA) has been widely used as a medical ceramic due to its good biocompatibility and osteoconductivity. Recently there has been interest ...

Soft Lithographic Procedure for Producing Plastic Microfluidic Devices with View-ports Transparent to Visible and Infrared Light

الإجراء معدني لينة لإنتاج أجهزة موائع جزيئية البلاستيك مع عرض-منافذ شفافة للضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء

Infrared (IR) spectro-microscopy of living biological samples is hampered by the absorption of water in the mid-IR range and by the lack of suitable ...

Isokinetic Robotic Device to Improve Test-Retest and Inter-Rater Reliability for Stretch Reflex Measurements in Stroke Patients with Spasticity

جهاز روبوتي متساوي الحركة لتحسين موثوقية الاختبار والاختبار وبين الدرجة لقياسات رد الفعل الممتدة في مرضى السكتة الدماغية الذين يعانون من التشنج

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has ...

Focused Ion Beam Lithography to Etch Nano-architectures into Microelectrodes

تخطيط الاشعه الايونيه المركزة لحفر نانو-البنيات في ميكرواقطاب

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of ...

Experimental and Data Analysis Workflow for Soft Matter Nanoindentation

Nanoindentation refers to a class of experimental techniques where a micrometric force probe is used to quantify the local mechanical properties of soft ...