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

Dit document werd gefinancierd door de National Institutes of Health (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), het Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award, en AHA Innovative Project Award (19IPLOI34660079).

Deze studie werd uitgevoerd in strikte overeenstemming met de aanbevelingen in de Gids voor de Zorg en Het gebruik van Proefdieren van de National Institutes of Health. Het protocol werd goedgekeurd door het institutioneel Comité voor dierenverzorging en -gebruik (IACUC) van brigham en vrouwenziekenhuis.
1. GelMA-synthese
<ol><li>Los 10 g gelatine op in 100 mL van Dulbecco's fosfaatgebufferde zoutoplossing (DPBS) met behulp van een magnetische roerstaaf bij 50 °C.</li>
	<li>Voeg 8 mL metha...

<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>

Met behulp van deze methode konden we met succes een batoïde visachtige biogeïnspireerde zachte robot fabriceren met een geïntegreerd zelf-actulerend hartweefsel op een meerlaags gestructureerd schavot dat wordt gecontroleerd door ingebedde Au-micro-elektroden. Door twee verschillende micropatroon hydrogel lagen gemaakt van PEGDA en CNT-GelMA hydrogels, de bio-geïnspireerde steiger toonde een goede mechanische stabiliteit en ideale cel uitlijning en rijping. De PEGDA patroonlaag, die dient als kraakbeengewricht van d...

Moderne state-of-the-art zachte robots kunnen de hiërarchische structuren en spierdynamiek van vele levende organismen nabootsen, zoals de kwallen1,2,sting ray2,octopus3,bacteriën4en sperma5. Het nabootsen van de dynamiek en architectuur van natuurlijke systemen biedt hogere prestaties in termen van zowel energetische als structurele efficiëntie6. Dit is intrinsiek gerelateerd aan de zachte aard van natuurlijk weefsel (bijvoorbeeld huid- of spierweefsel met een Young's modulus tussen 104−109 Pa), wat zorgt voor een hogere mate van vrijheid en superieure vervorming en aanpassingsvermogen in vergelijking met standaard gemanipuleerde actuatoren (bijvoorbeeld een Young's modulus meestal tussen 109−1012 Pa)6. Cardiale spiergebaseerde soft-actuatoren, in het bijzonder, tonen superieure energie-efficiëntie als gevolg van hun zelfbediening en hun potentieel voor autoreparatie en regeneratie in vergelijking met een mechanisch gebaseerd robotsysteem7. Echter, de fabricage van zachte robots is een uitdaging vanwege de noodzaak van de integratie van verschillende componenten met verschillende fysieke, biologische en mechanische eigenschappen in het ene systeem. Bijvoorbeeld, ontworpen synthetische systemen moeten worden geïntegreerd met levende biologische systemen, niet alleen hen te voorzien van structurele ondersteuning, maar ook het beïnvloeden en moduleren van hun actuatie gedrag. Bovendien vereisen veel microfabricagemethoden agressieve/cytotoxische processen en chemicaliën die de levensvatbaarheid en functie van levende componenten verminderen. Daarom zijn nieuwe benaderingen nodig om de functionaliteit van de zachte robots te verbeteren en hun gedrag te controleren en te moduleren.
Om levende componenten met een goede levensvatbaarheid succesvol te integreren, is een hydrogel-gebaseerde steiger een uitstekend materiaal om het lichaam van een zachte robot te creëren. De fysieke en mechanische eigenschappen van een hydrogel kunnen eenvoudig worden afgestemd om microomgevingen te creëren voor levende componenten zoals spierweefsels8,9. Ook kan het gemakkelijk verschillende microfabricagetechnieken aannemen, wat resulteert in het creëren van hiërarchische structuren met hoge trouw1,2,10. Flexibele elektronische apparaten kunnen worden opgenomen in de zachte robot om zijn gedrag te controleren met elektrische stimulatie. Zo zijn optogenetische technieken gebruikt om elektrogene cellen te ontwikkelen (bijvoorbeeld cardiomyocyten), die een lichtafhankelijke elektrofysiologische activering vertonen, gebruikt om een op polydimethylsiloxane (PDMS)-gebaseerde zachte robotsteekstraal te ontwikkelen die wordt geleid door licht dat in staat was om de ondulatische beweging van de vis in vitro 2 opnieuw tecreëren. Hoewel optogenetische technieken een uitstekende controleerbaarheid hebben aangetoond, maakt het gepresenteerde werk gebruik van elektrische stimulatie, een conventionele en traditionele simulatiemethode. Dit komt omdat elektrische stimulatie via flexibele micro-elektroden eenvoudig en eenvoudig is in vergelijking met optogenetische technieken, die uitgebreide ontwikkelingsprocessen vereisen11. Het gebruik van flexibele elektronische apparaten kan zorgen voor langdurige stimulatie en standaard/eenvoudige fabricageprocessen, evenals tunable biocompatibiliteit en fysieke en mechanische eigenschappen12,13.
Hier presenteren we een innovatieve methode om een biogeïnspireerde zachte robot te fabriceren, bediend door het slaan van gemanipuleerd hartspierweefsel en gecontroleerd door elektrische stimulatie door ingebedde flexibele Au-micro-elektroden. De zachte robot is ontworpen om de spier- en kraakbeenstructuur van de steekstraal na te bootsen. De steekstraal is een organisme met een relatief eenvoudig aan te bootsen structuur en beweging in vergelijking met andere zwemsoorten. De spieren worden in vitro nagemaakt door cardiomyocyten te zaaien op een elektrisch geleidend hydrogelmicropatroon. Zoals eerder gemeld, verbetert de integratie van elektrisch geleidende nanodeeltjes zoals CNT in de GelMA hydrogel niet alleen de elektrische koppeling van het hartweefsel, maar induceert het ook een uitstekende architectuur van in vitro weefsel en regeling8,9. De kraakbeengewrichten worden vervolgens nagebootst met behulp van een mechanisch robuust PEGDA hydrogel patroon dat fungeert als het mechanisch robuuste substraat van het hele systeem. Flexibele Au-micro-elektroden met een serpentinepatroon zijn ingebed in het PEGDA-patroon om lokaal en elektrisch het hartweefsel te stimuleren.

<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

Biogeïnspireerde zachte robotsystemen die levende organismen nabootsen met behulp van gemanipuleerd spierweefsel en biomaterialen zijn een revolutie in het huidige bioroboticaparadigma, vooral in biomedisch onderzoek. Het recreëren van kunstmatige levensachtige actuatiedynamiek is cruciaal voor een zacht-robotsysteem. Echter, de nauwkeurige controle en tuning van actuatie gedrag vertegenwoordigt nog steeds een van de belangrijkste uitdagingen van de moderne zachte robotsystemen. Deze methode beschrijft een goedkope, zeer schaalbare en gebruiksvriendelijke procedure om een elektrisch bestuurbare zachte robot te fabriceren met levensechte bewegingen die wordt geactiveerd en gecontroleerd door de samentrekking van hartspierweefsel op een micropatroonsteek ray-achtige hydrogel steiger. Het gebruik van zachte fotolithografiemethoden maakt het mogelijk om meerdere componenten succesvol te integreren in het zachte robotsysteem, waaronder op micropatroon hydrogel gebaseerde steigers met koolstofnanobuisjes (CNT's) embedded gelatine methacryloyl (CNT-GelMA), poly(ethyleenglycol) diacrylaat (PEGDA), flexibel goud (Au) micro-elektroden en hartspierweefsel. In het bijzonder zijn de hydrogels uitlijning en micropatroon ontworpen om de spier- en kraakbeenstructuur van de steekstraal na te bootsen. De elektrisch geleidende CNT-GelMA hydrogel fungeert als een celsteiger die de rijping en contractie gedrag van cardiomyocyten verbetert, terwijl de mechanisch robuuste PEGDA hydrogel structurele kraakbeen-achtige ondersteuning biedt aan de hele zachte robot. Om de harde en broze aard van op metaal gebaseerde micro-elektroden te overwinnen, ontwierpen we een serpentinepatroon dat een hoge flexibiliteit heeft en kan voorkomen dat de kloppende dynamiek van cardiomyocyten wordt belemmerd. De ingebouwde flexibele Au-micro-elektroden zorgen voor elektrische stimulatie in de zachte robot, waardoor het gemakkelijker wordt om het contractiegedrag van hartweefsel te beheersen.

Stroomdiagram van de stappen voor de ontwikkeling van de Au micro-elektrode-geïntegreerde biogeïnspireerde zachte robot Het doel van het zachte robotontwerp was om een membraan te bouwen dat in staat is om een zwembeweging met minimale complexiteit te bedienen. De structuur moet in staat zijn om sterke flexie herhaaldelijk te ondersteunen na verloop van tijd (ongeveer 1 Hz) en in staat zijn om zijn vorm te behouden, terwijl het bereiken van een sterke afstraffing. Door selectief foto crosslinking va...

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

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Een bioinspired steiger wordt vervaardigd door een zachte fotolithografietechniek met mechanisch robuuste en elektrisch geleidende hydrogels. De micropatroon hydrogels bieden directionele cardiomyocyte cel uitlijning, wat resulteert in een op maat gemaakte richting van actuatie. Flexibele micro-elektroden zijn ook geïntegreerd in het schavot om elektrische controleerbaarheid voor een zelf-actulerend hartweefsel te brengen.

Bioinspired Soft Robot met ingebouwde micro-elektroden

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

Onze nieuwe methode voor het fabriceren van elektrisch aangedreven bioinspired actuator kan niet alleen de beperking van de bestaande biohybride actuator overwinnen, maar ook de prestaties van op cellen gebaseerde actuator sterk verbeteren. Met behulp van deze lage kosten en gemakkelijk te hanteren techniek, kan het actuatiegedrag van bioinspired zachte robot worden gecontroleerd en afgestemd, wat leidt tot real-time stimulatie. Onze nieuwe methode kan mogelijk worden uitgebreid naar de toepassing van draadloos aangedreven implanteerbare flexibele elektronische apparaat voor hartregeneratie.Deze methode kan ook dienen als een nieuw platform voor de studie van de lokale elektrische stimulatie van cel latente constructies. Begin met het oplossen van 80 milligram GelMA in vier milliliter van Dulbecco's PBS. Voeg vervolgens 20 milligram carboxylzuur gefunctionaliseerd multiwalled koolstof nanobuisjes en sonicaat de oplossing voor een uur op 660 millihertz en 100 watt.Om micropatterned PEGDA te maken, plaats een laag van 50 micrometer dikke commerciële transparante tape op een TMSPMA gecoate glazen schuif, giet 15 microliters van 20%PEGDA prepolymeer oplossing op de top van de gecoate glazen glijbaan, dan bedekken met gouden micro-elektroden. Plaats het eerste fotomasker op de top van de dia en stel de hele constructie bloot aan 200 watt ultraviolet licht op 800 milliwatt intensiteit en een afstand van acht centimeter gedurende 110 seconden. Zet aan het einde van de UV-belichting de glazen schuif in dulbecco's PBS.Voeg een 20 microliter druppel van de koolstof nanobuis GelMA prepolymeer oplossing tussen de afstandhouders. Maak na vijf tot tien minuten voorzichtig de micropatroon PEGDA hydrogel en de gouden micro-elektroden los van het ongecoate glazen substraat en plaats de glijbaan ondersteboven op de afstandhouders. Bevestig de glijbaan met plakband aan de schotel en draai de hele montage ondersteboven.Plaats het tweede fotomasker op de glazen schuif en stel de montage bloot aan UV-licht zoals aangetoond gedurende 200 seconden. Aan het einde van de blootstelling, was het schavot een keer met verse Dulbecco's PBS en een keer met celkweek medium aangevuld met 10% foetale runderserum. Plaats vervolgens de steiger in vers medium in een nieuwe Petri schotel in een 37 graden Celsius incubator 's nachts.Na cardiomyocyte isolatie van twee dagen oude neonatale rattenharten volgens standaardprotocollen, resuspend de cellen op een 1.95 keer 10 tot de zes cellen per milliliter van cardiale middelgrote concentratie en zaad de cellen op de gefabriceerde zachte robot in druppels. Wanneer het gehele oppervlak van het apparaat is bedekt, worden de monsters gedurende vijf dagen bij 37 graden Celsius geïncuneerd en de kweeksupernatant vervangen door vijf milliliter verscelkweekmedium, aangevuld met 2%foetaal runderserum en 1%L-glutamine op de eerste en de tweede dagen na het zaaien. Om het spontane kloppen van de cardiomyocyten op de zachte robot te beoordelen, vanaf dag drie van de cultuur, plaatst u de robot op een omgekeerdtisch microscoopstadium en gebruikt u een 5X- of 10X objectieve en video-opnamesoftware om de cardiomyocyte-activiteit gedurende 30 seconden bij 20 frames per seconde in beeld te brengen.Gebruik op dag vijf een afdekplaat om de membranen aan de rand voorzichtig op te tillen. Met behulp van een drie centimeter afstand PDMS als houder, breng twee carbon staaf elektroden met platina draad op een zes centimeter Petri schotel gevuld met cardiale medium en zorgvuldig overbrengen van de zachte robot naar de schotel. Breng vervolgens een vierkante golfvorm aan met een pulsbreedte van 50 milliseconden, gelijkstroomverschuivingswaarde van nul volt en piekspanningsversterker tussen 0,5 en zes volt.Voor elektrische stimulatie met de gouden micro-elektroden, na fabricage van meerlaagse constructie, gebruik zilverpasta om twee koperen draden te bevestigen aan de gouden elektroden via een externe vierkante poort en bedek de pasta met een dunne laag PDMS voorverhard op 80 graden Celsius gedurende vijf minuten. Plaats het monster vervolgens vijf uur op een hete plaat op 45 graden Celsius om de PDMS volledig te kruisen. Na het zaaien cardiomyocyte op de draden aangesloten zachte robot, een vierkante golf elektrische stimulus op de koperdraden met de gelijkstroom offset waarde van een volt, een piek spanning amplitude tussen 1,5 en vijf volt, en frequenties van 0,5, een, en twee hertz respectievelijk.Deze zachte robots zijn ontworpen door de patronen van twee verschillende waterdieren, de zeester en de mantastraal, te biomimiceren. De cardiomyocyte gezaaid koolstof nanobuis GelMA lagen vertoonde verschillende kloppend gedrag volgens het patroon afstanden. Om onomkeerbare volledige rol van de zachte robot tijdens het dynamisch slaan van de cardiomyocyten te voorkomen, werd de patroonafstand van de PEGDA hydrogel steunlaag geoptimaliseerd tot 300 micrometer.In deze frames verkregen uit contractie opnames, een manta straal vormige actuator kan duidelijk worden waargenomen buigen van de vleugels zoals verwacht met de staart balanceren van de structuur door het rechttrekken wanneer de vleugels waren robuust sluiten in het midden. Sommige van de membranen tonen een roterende beweging, terwijl contractering als gevolg van verkeerd uitgelijnde micropatterned koolstof nanobuis GelMA en PEGDA hydrogels. Cardiale weefsel op micropatterned PEGDA en koolstof nanobuis GelMA patronen kunnen ook worden gevisualiseerd door F-actin DAPI confocale beeldvorming.Gedeeltelijke uniaxiale sarcomere uitlijning en onderling verbonden sarcomere structuren kunnen ook worden waargenomen op de patroongebieden door confocale microscopie en goed onderling verbonden sarcomere structuren van hartweefsels direct boven de micro-elektroden. De excitatiedrempelspanning is verschillend bij verschillende frequenties van elektrische stimulus door de externe koolstofelektrode of koperdraad die op de gouden elektrode wordt aangesloten. Het UV-crosslinkingproces van PEGDA en de GelMA micropatterning met behulp van fotomaskers is belangrijk voor het verkrijgen van hoogwaardige gouden micro-elektronegrode met overdekt meerlaags.Bioprinting kan worden gebruikt voor het fabriceren van micropatterned hydrogel en flexibele elektrode. We gebruikten bioprinting om geometrisch goed gedefinieerde zachte robot te verkrijgen op een snelle, goedkope en hoge doorvoermanier. Onze methode kan mogelijk bijdragen aan de ontwikkeling van de draadloze elektrische stimulatie van zachte robot door integratie van flexibele elektronische apparaten direct in hydrogel-gebaseerde steiger.Koolstof nanobuis en organische oplosmiddelen moeten altijd worden behandeld in een kap als de koolstof nanobuis vezels kunnen hun weg te maken in de longen vormen een risico voor de ontwikkeling van kanker.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Aanpassing van een haptische robot in een 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

Het ontwerpen van een Bio-responsieve Robot van 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

Een protocol voor Bioinspired Design: Een Ground Sampler Op basis van 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

Biomechanische karakterisering van menselijke zachte weefsels met behulp van inspringen en Trekproeven

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

Medische kwaliteit Steriliseerbare Doel voor-Fluid ondergedompeld fetoscope Optical Distortion Calibration

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

Rapid Mix Bereiding van Bioinspired Nanoscale hydroxyapatiet voor biomedische toepassingen

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

Zachte lithografische Procedure voor de productie van kunststof Microfluidic apparaten met weergave-poorten transparant voor zichtbaar en infrarood licht

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

Isokinetische robot apparaat ter verbetering van de test-hertest en de betrouwbaarheid van de Interrater voor Stretch reflex metingen bij beroerte-patiënten met spasticiteit

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

Gerichte ionen straal-lithografie voor etch nano-architecturen in micro elektroden

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 ...