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

Dette dokument blev finansieret af National Institutes of Health (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award og AHA Innovative Project Award (19IPLOI346660079).

Denne undersøgelse blev udført i nøje overensstemmelse med anbefalingerne i vejledningen om pleje og anvendelse af laboratoriedyr fra De Nationale Sundhedsinstitutter. Protokollen blev godkendt af det institutionelle udvalg for dyrepleje og -anvendelse (IACUC) på Brigham and Women's Hospital.
1. GelMA syntese
<ol><li>10 g gelatine opløses i 100 ml dulbeccos fosfatbufferede saltvand (DPBS) ved hjælp af en magnetisk omrører ved 50 °C.</li>
	<li>Tilsæt 8 ml methakrylanhydrid langsomt u...

<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>

Ved hjælp af denne metode, vi var i stand til at fremstille en batoid fisk-lignende bioinspireret blød robot med en integreret selvaktiverende hjertevæv på en flerlags struktureret stillads, der kontrolleres af indlejrede Au mikroelektroder. På grund af to forskellige mikromønstrede hydrogellag lavet af PEGDA og CNT-GelMA hydrogels viste det bioinspirerede stillads god mekanisk stabilitet og ideel celletilpasning og modning. PEGDA mønsterlaget, der fungerer som en brusksamling af skeletarkitekturen i en stingstrå...

Moderne state-of-the-art bløde robotter kan efterligne de hierarkiske strukturer og muskel dynamik af mange levende organismer, såsom vandmænd1,2,brod stråle2,blæksprutte3,bakterier4,ogsæd5. Efterligner dynamikken og arkitekturen i naturlige systemer tilbyder højere præstationer i form af både energisk og strukturel effektivitet6. Dette er uløseligt forbundet med den bløde karakter af naturligt væv (f.eks hud eller muskelvæv med en Young's modulus mellem 104−109 Pa), som giver mulighed for højere grader af frihed og overlegen deformation og tilpasningsevne sammenlignet med standard manipuleret aktuatorer (f.eks en Young's modulus normalt mellem 109−1012 Pa)6. Hjertemusklen-baserede soft-aktuatorer, især, viser overlegen energieffektivitet på grund af deres selvaktiverende samt deres potentiale for autorepair og regenerering i forhold til en mekanisk baseret robot system7. Men fremstillingaf bløde robotter er udfordrende på grund af nødvendigheden af at integrere forskellige komponenter med forskellige fysiske, biologiske og mekaniske egenskaber i det ene system. For eksempel skal manipulerede syntetiske systemer integreres med levende biologiske systemer, ikke kun at give dem strukturel støtte, men også påvirke og modulere deres aktivering adfærd. Desuden kræver mange mikrofabrikationsmetoder barske/cytotoksiske processer og kemikalier, der mindsker levedygtigheden og funktionen af alle levende komponenter. Derfor er nye tilgange nødvendige for at forbedre funktionaliteten af de bløde robotter og for at kontrollere og modulere deres adfærd.
For at kunne integrere levende komponenter med god levedygtighed er et hydrogelbaseret stillads et fremragende materiale til at skabe kroppen af en blød robot. En hydrogel fysiske og mekaniske egenskaber kan nemt indstilles til at skabe mikromiljøer til levende komponenter såsom muskelvæv8,9. Også, det kan nemt vedtage forskellige mikrofabrikation teknikker, hvilket resulterer i oprettelsen af hierarkiske strukturer med high fidelity1,2,10. Fleksible elektroniske enheder kan indarbejdes i den bløde robot for at styre dens adfærd med elektrisk stimulation. For eksempel, optogenetiske teknikker til ingeniør elektrogene celler (f.eks kardiomyocytter), som viser en lys-afhængig elektrofysiologisk aktivering, er blevet brugt til at udvikle en polydimethylsiloxan (PDMS)-baserede blød robot stik stråle styret af lys, der var i stand til at genskabe den undulatory bevægelse af fisk in vitro2. Selv om optogenetiske teknikker har vist fremragende kontrollerbarhed, det præsenterede arbejde bruger elektrisk stimulation, en konventionel og traditionel simulering metode. Dette skyldes, at elektrisk stimulation via fleksible mikroelektroder er nem og enkel i forhold til optogenetiske teknikker, som kræver omfattende udviklingsprocesser11. Brugen af fleksible elektroniske anordninger kan give mulighed for langsigtet stimulering og standard/enkel fabrikationsprocesser samt afstemmelige biokompatibilitet og fysiske og mekaniske egenskaber12,13.
Her præsenterer vi en innovativ metode til at fabrikere en bioinspireret blød robot, aktiveret ved at slå manipuleret hjertemuskelvæv og kontrolleres af elektrisk stimulation gennem indlejrede fleksible Au-mikroelektroder. Den bløde robot er designet til at efterligne muskel- og bruskstrukturen i brodstrålen. Brodden ray er en organisme med en relativt let at efterligne struktur og bevægelse i forhold til andre svømning arter. Musklerne er genskabt in vitro ved såning kardiomyocytter på en elektrisk ledende hydrogel mikromønster. Som tidligere rapporteret, indarbejde elektrisk ledende nanopartikler såsom CNT i GelMA hydrogel ikke kun forbedrer den elektriske kobling af hjertevæv, men også inducerer en fremragende in vitro væv arkitektur og arrangement8,9. Bruskleddene efterlignes derefter ved hjælp af et mekanisk robust PEGDA hydrogelmønster, der fungerer som det mekanisk robuste underlag i hele systemet. Fleksible Au-mikroelektroder med serpentinmønster er indlejret i PEGDA-mønsteret for lokalt og elektrisk at stimulere hjertevævet.

<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

Bioinspired soft robot systemer, der efterligner levende organismer ved hjælp af manipuleret muskelvæv og biomaterialer revolutionerer den nuværende biorobotics paradigme, især i biomedicinsk forskning. Genskabelse af kunstig livslignende aktiveringsdynamik er afgørende for et soft-robotsystem. Men den præcise kontrol og tuning af aktivering adfærd stadig udgør en af de største udfordringer i moderne bløde robotsystemer. Denne metode beskriver en billig, meget skalerbar og brugervenlig procedure til fremstilling af en elektrisk kontrollerbar blød robot med livagtige bevægelser, der aktiveres og styres af sammentrækning af hjertemuskelvæv på en mikromønstret brod ray-lignende hydrogel stillads. Brugen af bløde fotolithografimetoder gør det muligt at integrere flere komponenter i det bløde robotsystem, herunder mikromønstrede hydrogelbaserede stilladser med carbon nanorør (CNT'er) indlejret gelatine methacryloyl (CNT-GelMA), poly (ethylenglycol) diacrylat (PEGDA), fleksible guld (Au) mikroelektroder og hjertemuskelvæv. Især hydrogels tilpasning og mikromønster er designet til at efterligne muskel og brusk struktur af brod ray. Den elektrisk ledende CNT-GelMA hydrogel fungerer som en celle stillads, der forbedrer modning og sammentrækning adfærd kardiomyocytter, mens den mekanisk robuste PEGDA hydrogel giver strukturel brusk-lignende støtte til hele bløde robot. For at overvinde den hårde og sprøde karakter af metal-baserede mikroelektroder, vi designet en serpentin mønster, der har høj fleksibilitet og kan undgå at hæmme slå dynamik cardiomyocytter. De indbyggede fleksible Au-mikroelektroder giver elektrisk stimulation på tværs af den bløde robot, hvilket gør det lettere at styre vævs sammentrækningsadfærd.

Flowdiagram over trinene til udvikling af au mikroelektrode-inkorporeret bioinspireret blød robot Formålet med det bløde robotdesign var at bygge en membran, der kunne aktivere en svømmebevægelse med minimal kompleksitet. Strukturen skal være i stand til at opretholde stærke fleksioner gentagne gange over tid (ca. 1 Hz) og være i stand til at holde sin form og samtidig opnå en stærk slå. Ved selektivt foto krydsforbinder polymeren ved hjælp af fotomasker, fabrikerede vi et hierarkisk struk...

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

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Et bioinspireret stillads fremstilles af en blød fotolithografiteknik ved hjælp af mekanisk robuste og elektrisk ledende hydrogeler. De mikromønstrede hydrogeler giver retningsbestemt kardiomyocyt celle tilpasning, hvilket resulterer i en skræddersyet retning af aktivering. Fleksible mikroelektroder er også integreret i stilladset for at bringe elektrisk kontrol for et selvaktiverende hjertevæv.

Bioinspireret blød robot med indbyggede mikroelektroder

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

Vores nye metode til fremstilling af elektrisk styret bioinspireret aktuator kan ikke kun overvinde begrænsningen af eksisterende biohybrid aktuator, men også stærkt forbedre ydeevnen af celle-baserede aktuator. Ved hjælp af denne lave pris og nem at håndtere teknik, kan aktivering adfærd bio inspireret blød robot styres og tunes fører til real-time stimulation. Vores nye metode kan potentielt udvides mod anvendelsen af trådløst drevne implantable fleksible elektroniske enhed til hjerte regenerering.Denne metode kan også tjene som en ny platform for studiet af den lokale elektriske stimulation af celle latente konstruktioner. Begynd med at opløse 80 milligram GelMA i fire milliliter af Dulbecco's PBS. Derefter tilsættes 20 milligram carboxylsyre funktionaliseret multiwalled carbon nanorør og sonikere opløsningen i en time ved 660 millihertz og 100 watt.For at skabe micropatterned PEGDA skal du placere et lag af 50 mikrometer tykt kommercielt transparent tape til en TMSPMA-belagt glasrutsjebane, hælde 15 mikroliter 20% PEGDA prepolymer-opløsning oven på den overtrukne glasrutsjebane og derefter dække det med guldmikroelektroder. Placer den første fotomaske på toppen af diaset og udsætte hele konstruktionen til 200 watt ultraviolet lys på 800 milliwatt intensitet og en otte centimeter afstand i 110 sekunder. Ved afslutningen af UV-eksponeringen skal du sætte glasrutsjebanen ind i Dulbeccos PBS.Tilføj en 20 mikroliter dråbe af carbon nanotube GelMA prepolymer løsning mellem afstandsstillerne. Efter fem til 10 minutter, forsigtigt løsrive den micropatterned PEGDA hydrogel og guld mikroelektroder fra ubestrøget glas substrat og placere glide hovedet på afstandsstykker. Fastgør diaset til skålen med tape og vend hele samlingen på hovedet.Placer den anden fotomaske på glasrutsjebanen, og udsæt samlingen for UV-lys som påvist i 200 sekunder. Ved eksponeringens afslutning vaskes stilladset én gang med frisk Dulbeccos PBS og én gang med cellekulturmedium suppleret med 10 % føtalt kvægserum. Derefter placere stilladset i frisk medium i en ny petriskål i en 37 grader Celsius inkubator natten over.Efter kardiomyocyt isolation fra to dage gamle neonatal rotte hjerter i henhold til standard protokoller, resuspend cellerne på en 1,95 gange 10 til de seks celler pr milliliter hjerte medium koncentration og frø cellerne på den fabrikerede bløde robot i dråber. Når hele enhedens overflade er dækket, inkuberes prøverne ved 37 grader Celsius i fem dage, hvor kultursupernatanten erstattes med fem milliliter frisk cellekulturmedium suppleret med 2 % føtalt kvægserum og 1%L-glutamin den første og den anden dag efter såningen. For at vurdere den spontane slå af kardiomyocytter på den bløde robot, der starter på dag tre af kultur, placere robotten på en omvendt optisk mikroskop fase og bruge en 5X eller 10X mål og video capture software til at billedet kardiomyocyte aktivitet i 30 sekunder ved 20 billeder per sekund.På dag fem skal du bruge et dæksel til forsigtigt at løfte membranerne ved kanten. Ved hjælp af en tre centimeter fordelt PDMS som en holder, anbringe to carbon stang elektroder med platin wire til en seks centimeter petriskål fyldt med hjerte medium og omhyggeligt overføre den bløde robot til fadet. Anvend derefter en firkantet bølgeform med en 50 millisekund pulsbredde, jævnstrømsforskydningsværdi på nul volt og højspændings amplitud mellem 0,5 og seks volt.For elektrisk stimulation med guld mikroelektroder, efter fremstilling af flerlagede konstruktion, bruge sølv pasta til at fastgøre to kobberledninger til guld elektroder gennem en ekstern firkantet port og dække pastaen med et tyndt lag af PDMS pre-hærdet ved 80 grader Celsius i fem minutter. Derefter anbringes prøven på en varmeplade ved 45 grader Celsius i fem timer for fuldt ud at krydse PDMS. Efter såning cardiomyocyte på ledningerne tilsluttet blød robot, anvende en firkantet bølge elektrisk stimulus på kobberledninger med den direkte strøm offset værdi af en volt, en topspænding amplitude mellem 1,5 og fem volt, og frekvenser på 0,5, en og to hertz hhv.Disse bløde robotter blev designet af biomimicking mønstre af to forskellige vanddyr, søstjerner og manta ray. Den cardiomyocyte seedet kulstof nanorør GelMA lag udstillet forskellige slå adfærd i henhold til mønster afstande. For at forhindre irreversibel fuldstændig rulning af den bløde robot under den dynamiske tæsk af kardiomyocytterne blev mønsterafstanden på PEGDA hydrogel-støttelaget optimeret til 300 mikrometer.I disse rammer erhvervet fra sammentrækning optagelser, en manta ray formet aktuator kan tydeligt observeres bøjning vingerne som forventet med halen afbalancere strukturen ved glatning, når vingerne var robust lukning i midten. Nogle af membranerne demonstrerer en roterende bevægelse, mens de pådrager sig på grund af skæve mikropatterned carbon nanorør GelMA og PEGDA hydrogels. Hjertevæv på micropatterned PEGDA og carbon nanotube GelMA mønstre kan også visualiseres ved F-actin DAPI konfokal billeddannelse.Delvis uniaxial sarkomere justering og indbyrdes forbundne sarcomere strukturer kan også observeres på de mønstrede områder ved konfokal mikroskopi samt godt indbyrdes forbundne sarcomere strukturer af hjertevæv placeret direkte over mikroelektroderne. Excitationstærsklens spænding er forskellig ved forskellige frekvenser af elektrisk stimulus gennem den eksterne kulstofelektrode eller kobbertråd, der er forbundet med guldelektroden. UV crosslinking processen med PEGDA og GelMA mikropattering ved hjælp af fotomasker er vigtigt for at opnå høj kvalitet guld mikroelektrode indarbejde flerlags dækket.Bioprint kan bruges til fremstilling af mikropatterned hydrogel og fleksibel elektrode. Vi brugte bioprint til at opnå geometrisk veldefineret blød robot på en hurtig, billig og høj gennemløbsmåde. Vores metode kan potentielt bidrage til udviklingen af den trådløse elektriske stimulering af blød robot gennem integration af fleksibel elektronisk enhed direkte i hydrogel-baserede stillads.Carbon nanorør og organiske opløsningsmidler bør altid håndteres inde i en hætte som carbon nanorør fibre kan gøre deres vej ind i lungerne udgør en risiko for kræft udvikling.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

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

Design af et Bio-responsiv Robot fra DNA Origami

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

En protokol til bioinspirerede Design: En Ground Sampler Baseret på Sea Urchin Jaws

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

Biomekanisk karakterisering af menneskelige bløddele Brug Indrykning og trækprøvning

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

Medicinsk-grade steriliserbare Mål for Fluid-nedsænket Fetoscope Optical Distortion kalibrering

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

Hurtig Mix Udarbejdelse af bioinspirerede Nanoscale hydroxyapatit for Biomedical Applications

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

Blød Litografisk Procedure for at producere plast mikrofluid enheder med Se-porte gennemsigtig til synligt og infrarødt lys

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

Isokinetisk robot anordning til forbedring af test-retest og Inter-rater pålidelighed til stræk refleks målinger i slagtilfælde patienter med spasticitet

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

Fokuseret Ionstrålithografi til etch Nano-arkitekturer i Mikroelektroderne

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 ...