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

Dieses Papier wurde von den National Institutes of Health (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), dem Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award und dem AHA Innovative Project Award (19IPLOI34660079) finanziert.

Diese Studie wurde in strikter Übereinstimmung mit den Empfehlungen des Leitfadens für die Pflege und Verwendung von Labortieren der National Institutes of Health durchgeführt. Das Protokoll wurde vom institutionellen Tierpflege- und Nutzungsausschuss (IACUC) des Brigham and Women es Hospital genehmigt.
1. GelMA-Synthese
<ol><li>10 g Gelatine in 100 ml Phosphat-gepufferter Saline (DPBS) von Dulbecco mit einem Magnetischen Rührer bei 50 °C auflösen.</li>
	<li>Fügen Sie 8 ml Methacrylan...

<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>

Mit dieser Methode konnten wir erfolgreich einen batoiden fischähnlichen bioinspirierten Weichenroboter mit integriertem selbstwirkendem Herzgewebe auf einem mehrschichtigen strukturierten Gerüst herstellen, das von eingebetteten Au-Mikroelektroden gesteuert wird. Durch zwei unterschiedliche mikrogemusterte Hydrogelschichten aus PEGDA- und CNT-GelMA-Hydrogelen zeigte das bioinspirierte Gerüst eine gute mechanische Stabilität und ideale Zellausrichtung und Reifung. Die PEGDA-Musterschicht, die als Knorpelgelenk der Sk...

Moderne, hochmoderne Softroboter können die hierarchischen Strukturen und Die Muskeldynamik vieler lebender Organismen nachahmen, wie die Quallen1,2, Stachelrochen2, Oktopus3, Bakterien4und Sperma5. Die Nachahmung der Dynamik und Architektur natürlicher Systeme bietet höhere Leistungen sowohl in Bezug auf energetische als auch strukturelle Effizienz6. Dies hängt intrinsisch mit der weichen Natur des natürlichen Gewebes zusammen (z. B. Haut- oder Muskelgewebe mit einem Young-Modul zwischen 104x 109 Pa), was höhere Freiheitsgrade und überlegene Verformung und Anpassungsfähigkeit im Vergleich zu Standard-Aktoren (z.B. ein Young-Modul in der Regel zwischen 109x10 12 Pa)6ermöglicht. Vor allem herzmuskelbasierte Soft-Aktoren zeigen durch ihre Selbstbetätigung sowie ihr Potenzial für Autoreparatur und Regeneration im Vergleich zu einem mechanisch basierten Robotersystem7eine überragende Energieeffizienz. Die Herstellung weicher Roboter ist jedoch eine Herausforderung, da verschiedene Komponenten mit unterschiedlichen physikalischen, biologischen und mechanischen Eigenschaften in ein System integriert werden müssen. So müssen beispielsweise technische synthetische Systeme in lebende biologische Systeme integriert werden, die ihnen nicht nur strukturelle Unterstützung bieten, sondern auch ihr Betätigungsverhalten beeinflussen und modulieren. Darüber hinaus erfordern viele Mikrofabrikationsmethoden harte/zytotoxische Prozesse und Chemikalien, die die Lebensfähigkeit und Funktion lebender Komponenten verringern. Daher sind neue Ansätze notwendig, um die Funktionalität der Softroboter zu verbessern und ihr Verhalten zu steuern und zu modulieren.
Um lebende Bauteile mit guter Lebensfähigkeit erfolgreich zu integrieren, ist ein Hydrogel-basiertes Gerüst ein hervorragendes Material, um den Körper eines weichen Roboters zu schaffen. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften eines Hydrogels können leicht auf Mikroumgebungen für lebende Komponenten wie Muskelgewebe8,9abgestimmt werden. Auch kann es leicht verschiedene Mikrofabrikationstechniken übernehmen, was zur Schaffung hierarchischer Strukturen mit hoher Genauigkeit1,2,10führt. Flexible elektronische Geräte können in den weichen Roboter integriert werden, um sein Verhalten mit elektrischer Stimulation zu steuern. Zum Beispiel wurden optogenetische Techniken zur Entwicklung elektrogener Zellen (z. B. Kardiomyozyten), die eine lichtabhängige elektrophysiologische Aktivierung zeigen, verwendet, um einen Polydimethylsiloxan (PDMS)-basierten weichen Roboterstichrochen zu entwickeln, der von Licht geleitet wird, der in der Lage war, die undulatorische Bewegung der Fische in vitro2nachzubilden. Obwohl optogenetische Techniken eine ausgezeichnete Kontrollierbarkeit gezeigt haben, verwendet die vorgestellte Arbeit elektrische Stimulation, eine konventionelle und traditionelle Simulationsmethode. Denn die elektrische Stimulation über flexible Mikroelektroden ist im Vergleich zu optogenetischen Techniken, die umfangreicheEntwicklungsprozesseerfordern, einfach und einfach. Der Einsatz flexibler elektronischer Geräte ermöglicht eine langfristige Stimulation und Standard-/einfache Fertigungsprozesse sowie abstimmbare Biokompatibilität und physikalische und mechanische Eigenschaften12,13.
Hier präsentieren wir eine innovative Methode zur Herstellung eines bioinspirierten Weichenroboters, der durch das Schlagen von technischem Herzmuskelgewebe betätigt und durch elektrische Stimulation durch eingebettete flexible Au-Mikroelektroden gesteuert wird. Der weiche Roboter wurde entwickelt, um die Muskel- und Knorpelstruktur des Stachelrochens nachzuahmen. Der Stachelrochen ist ein Organismus mit einer relativ leicht zu imitierenden Struktur und Bewegung im Vergleich zu anderen Schwimmarten. Die Muskeln werden in vitro durch Aussaat von Kardiomyozyten auf einem elektrisch leitfähigen Hydrogel-Mikromuster nachgebildet. Wie bereits berichtet, verbessert die Integration elektrisch leitfähiger Nanopartikel wie CNT im GelMA Hydrogel nicht nur die elektrische Kopplung des Herzgewebes, sondern induziert auch eine hervorragende In-vitro-Gewebearchitektur und -anordnung8,9. Die Knorpelverbindungen werden dann mit einem mechanisch robusten PEGDA Hydrogelmuster nachgeahmt, das als mechanisch robustes Substrat des gesamten Systems fungiert. Flexible Au-Mikroelektroden mit Serpentinmuster sind in das PEGDA-Muster eingebettet, um das Herzgewebe lokal und elektrisch zu stimulieren.

<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

Bioinspirierte weiche Robotersysteme, die lebende Organismen mit technischem Muskelgewebe und Biomaterialien imitieren, revolutionieren das aktuelle Biorobotik-Paradigma, insbesondere in der biomedizinischen Forschung. Die Wiederherstellung künstlicher lebensähnlicher Betätigungsdynamik ist entscheidend für ein Soft-Roboter-System. Die präzise Steuerung und Abstimmung des Betätigungsverhaltens stellt jedoch nach wie vor eine der größten Herausforderungen moderner Softrobotersysteme dar. Diese Methode beschreibt ein kostengünstiges, hochskalierbares und einfach zu bedienendes Verfahren zur Herstellung eines elektrisch steuerbaren weichen Roboters mit lebensähnlichen Bewegungen, der durch die Kontraktion von Herzmuskelgewebe auf einem mikromusterten Stachel aktiviert und gesteuert wird. strahlartiges Hydrogelgerüst. Der Einsatz weicher Photolithographie-Methoden ermöglicht die erfolgreiche Integration mehrerer Komponenten in das WeicheRobotersystem, einschließlich mikrogemusterter hydrogelbasierter Gerüste mit Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) eingebettetem Gelatinemethacryloyl (CNT-GelMA), Poly(Ethylenglykol) Diakrylat (PEGDA), flexible Gold (Au) Mikroelektroden und Herzmuskelgewebe. Insbesondere die Hydrogelausrichtung und das Mikromuster sind so konzipiert, dass sie die Muskel- und Knorpelstruktur des Stachelrochens imitieren. Das elektrisch leitfähige CNT-GelMA Hydrogel fungiert als Zellgerüst, das das Reifungs- und Kontraktionsverhalten von Kardiomyozyten verbessert, während das mechanisch robuste PEGDA Hydrogel den gesamten weichen Roboter strukturell knorpelartig unterstützt. Um die harte und spröde Natur von metallbasierten Mikroelektroden zu überwinden, haben wir ein Serpentinmuster entwickelt, das eine hohe Flexibilität hat und die Schlagdynamik von Kardiomyozyten nicht behindern kann. Die integrierten flexiblen Au-Mikroelektroden bieten elektrische Stimulation über den weichen Roboter, was es einfacher macht, das Kontraktionsverhalten von Herzgewebe zu kontrollieren.

Fließdiagramm der Schritte zur Entwicklung des in die Au-Mikroelektroden integrierten bioinspirierten Weichroboters Das Ziel des Softroboter-Designs war es, eine Membran zu bauen, die in der Lage ist, eine Schwimmbewegung mit minimaler Komplexität zu betätigen. Die Struktur muss in der Lage sein, starke Flexionen im Laufe der Zeit (ca. 1 Hz) zu erhalten und in der Lage zu sein, ihre Form zu halten, während sie einen starken Schlag erreicht. Durch selektive Photovernetzung des Polymers mit Photomas...

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

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Ein bioinspiriertes Gerüst wird durch eine weiche Photolithographie-Technik mit mechanisch robusten und elektrisch leitfähigen Hydrogelen hergestellt. Die mikrogemusterten Hydrogele bieten eine richtungsweisende Kardiomyozytenzellausrichtung, was zu einer maßgeschneiderten Betätigungsrichtung führt. Flexible Mikroelektroden sind auch in das Gerüst integriert, um elektrische Steuerbarkeit für ein selbstwirkendes Herzgewebe zu gewährleisten.

Bioinspirierter Softroboter mit integrierten Mikroelektroden

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

Unsere neue Methode zur Herstellung von elektrisch gesteuerten bioinspirierten Aktuatorn kann nicht nur die Einschränkung des bestehenden Biohybridaktors überwinden, sondern auch die Leistung des zellbasierten Aktuators stark verbessern. Mit dieser kostengünstigen und einfach zu handhabenden Technik kann das Betätigungsverhalten von bioinspirierten Softrobotern gesteuert und abgestimmt werden, was zu einer Echtzeitstimulation führt. Unsere neue Methode kann potenziell auf die Anwendung von drahtlos angetriebenen implantierbaren flexiblen elektronischen Geräten für die Herzregeneration erweitert werden.Diese Methode kann auch als neue Plattform für die Untersuchung der lokalen elektrischen Stimulation von Zelllatentkonstrukten dienen. Beginnen Sie mit der Auflösung von 80 Milligramm GelMA in vier Milliliter von Dulbecco PBS. Dann fügen Sie 20 Milligramm Carbonsäure funktionalisierte mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren hinzu und beschallen die Lösung für eine Stunde bei 660 Millihertz und 100 Watt.Um mikrogemusterte PEGDA zu erstellen, legen Sie eine Schicht von 50 Mikrometer dickem kommerziellen transparenten Klebeband auf einen TMSPMA beschichteten Glasschlitten, gießen Sie 15 Mikroliter 20%PEGDA Prepolymer-Lösung auf den beschichteten Glasschlitten und bedecken Sie es dann mit goldenen Mikroelektroden. Platzieren Sie die erste Fotomaske auf dem Dia und setzen Sie das gesamte Konstrukt 110 Sekunden lang 200 Watt ultraviolettem Licht bei 800 Milliwatt Intensität und einer Entfernung von acht Zentimetern aus. Am Ende der UV-Belichtung, setzen Sie die Glasrutsche in Dulbecco PBS.Fügen Sie einen 20-Mikroliter-Tropfen der Carbon-Nanoröhren-GelMA-Prepolymerlösung zwischen den Abstandshaltern hinzu. Nach fünf bis zehn Minuten das mikrogemusterte PEGDA-Hydrogel und die Goldmikroelektroden vorsichtig vom unbeschichteten Glassubstrat lösen und den Schlitten kopfüber auf die Abstandshalter legen. Befestigen Sie den Schlitten mit Klebeband an der Schale und drehen Sie die gesamte Baugruppe auf den Kopf.Legen Sie die zweite Fotomaske auf die Glasfolie und setzen Sie die Baugruppe UV-Licht aus, wie für 200 Sekunden demonstriert. Am Ende der Exposition, waschen Sie das Gerüst einmal mit frischen Dulbecco PBS und einmal mit Zellkultur Medium mit 10% fetalen Rinderserum ergänzt. Dann legen Sie das Gerüst in frischem Medium in einer neuen Petrischale in einem 37 Grad Celsius Brutkasten über Nacht.Nach der Kardiomyozytenisolation von zwei Tage alten neonatalen Rattenherzen nach Standardprotokollen setzen Sie die Zellen 1,95 mal 10 auf die sechs Zellen pro Milliliter Herzmittelkonzentration aus und säen die Zellen in Tröpfchen auf den hergestellten weichen Roboter. Wenn die gesamte Oberfläche des Geräts bedeckt ist, inkubieren Sie die Proben bei 37 Grad Celsius für fünf Tage, ersetzen Sie den Kulturüberstand durch fünf Milliliter Frischzellenkulturmedium ergänzt mit 2%fetalem Rinderserum und 1%L-Glutamin am ersten und zweiten Tag nach der Aussaat. Um das spontane Schlagen der Kardiomyozyten auf dem weichen Roboter zu beurteilen, ab dem dritten Tag der Kultur, legen Sie den Roboter auf eine invertierte optische Mikroskopstufe und verwenden Sie eine 5X oder 10X Objektiv- und Videoaufnahmesoftware, um die Kardiomyozytenaktivität 30 Sekunden lang bei 20 Bildern pro Sekunde abzubilden.Verwenden Sie am fünften Tag eine Abdeckungsrutsche, um die Membranen am Rand sanft anzuheben. Mit einem drei Zentimeter großen PDMS als Halter befestigen Sie zwei Kohlestabelektroden mit Platindraht an einer sechs Zentimeter großen Petrischale, die mit Herzmedium gefüllt ist, und übertragen Sie den weichen Roboter vorsichtig auf die Schale. Wenden Sie dann eine quadratische Wellenform mit einer Pulsbreite von 50 Millisekunden, einem Gleichstrom-Offsetwert von null Volt und einer Spitzenspannungsamplitude zwischen 0,5 und sechs Volt an.Für die elektrische Stimulation mit den Goldmikroelektroden, nach der Herstellung von mehrschichtigen Konstrukt, verwenden Sie Silberpaste, um zwei Kupferdrähte an den Goldelektroden durch einen externen quadratischen Port zu befestigen und decken Sie die Paste mit einer dünnen Schicht von PDMS vorgehärtet bei 80 Grad Celsius für fünf Minuten. Legen Sie die Probe dann fünf Stunden lang auf eine Kochplatte bei 45 Grad Celsius, um das PDMS vollständig zu vernetzen. Nach der Aussaat Cardiomyozyten auf den Drähten angeschlossenweichen Roboter, wenden Sie einen quadratischen Wellen elektrischen Stimulus auf die Kupferdrähte mit dem Gleichstrom-Offset-Wert von einem Volt, eine Spitzenspannungsamplitude zwischen 1,5 und fünf Volt, und Frequenzen von 0,5, ein und zwei Hertz.Diese weichen Roboter wurden entwickelt, indem sie die Muster von zwei verschiedenen Wassertieren, dem Seestern und dem Mantarochen, biomimiciert. Die kardiomyozyten gesäten Kohlenstoff-Nanoröhren GelMA-Schichten zeigten unterschiedliche Schlagverhalten entsprechend den Musterabständen. Um ein irreversibles vollständiges Rollen des weichen Roboters während des dynamischen Schlagens der Kardiomyozyten zu verhindern, wurde der Musterabstand der PEGDA Hydrogel-Stützschicht auf 300 Mikrometer optimiert.In diesen Rahmen, die aus Kontraktionsaufnahmen gewonnen wurden, kann ein mantastrahlförmiger Aktuator deutlich beobachtet werden, der die Flügel wie erwartet mit dem Schwanz biegt, der die Struktur durch Richten ausbalanciert, wenn sich die Flügel in der Mitte robust schließen. Einige der Membranen zeigen eine rotierende Bewegung, während sie sich aufgrund falsch ausgerichteter mikrogemusterter Kohlenstoff-Nanoröhren-GelMA- und PEGDA-Hydrogele kontrahieren. Herzgewebe auf mikrogemusterten PEGDA- und Kohlenstoff-Nanoröhren-GelMA-Mustern kann auch durch F-Actin DAPI konfokale Bildgebung visualisiert werden.Teilweise uniaxiale Sarkome-Ausrichtung und miteinander verbundene Sarkomrestrukturen können auch an den gemusterten Bereichen durch konfokale Mikroskopie sowie gut miteinander verbundene Sarkomestrukturen von Herzgeweben direkt über den Mikroelektroden beobachtet werden. Die Anregungsschwellenspannung unterscheidet sich bei verschiedenen Frequenzen des elektrischen Stimulus durch die externe Kohlenstoffelektrode oder Kupferdraht, die mit der Goldelektrode verbunden sind. Der UV-Vernetzungsprozess von PEGDA und gelMA Mikromusterung mit Photomasken ist wichtig für die Herstellung einer hochwertigen Goldmikroelektrode mit mehrschichtigen abgedeckten.Bioprinting kann zur Herstellung von mikrogemusterten Hydrogelen und flexiblen Elektroden verwendet werden. Wir verwendeten Bioprinting, um geometrisch klar definierte weiche Roboter in einer schnellen, kostengünstigen und hohen Durchsatz-Weise zu erhalten. Unsere Methode kann potenziell zur Entwicklung der drahtlosen elektrischen Stimulation von Softrobotern beitragen, indem flexible elektronische Geräte direkt in hydrogelbasierte Gerüste integriert werden.Kohlenstoff-Nanoröhren und organische Lösungsmittel sollten immer in einer Haube behandelt werden, da die Kohlenstoff-Nanoröhrenfasern ihren Weg in die Lunge finden können, was ein Risiko für die Krebsentwicklung darstellt.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Anpassung eines Haptic Robot in einem 3T fMRT

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

Forschung

Biotechnik

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Entwerfen einer Bio-responsive Robot von 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

Ein Protokoll für Bioinspirierte Entwurf: Ein Boden Sampler Basierend auf Seeigel 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 Charakterisierung humaner Weichgewebeproben mit Einrückungen und Zugprüfung

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

Medical-Grade-sterilisierbar Ziel für Flüssig-getaucht fetoscope Optische Verzerrung Kalibrierung

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 Herstellung von Bioinspirierte Nanoskalige Hydroxyapatit für biomedizinische Anwendungen

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

Weichen lithografischen Verfahren zur Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräte mit Ansicht-Ports für sichtbaren und infraroten Licht durchlässig

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

Isokinetic Robotic Device zur Verbesserung der Test-Retest und Inter-Rater Zuverlässigkeit für Stretch Reflex Messungen bei Schlaganfall-Patienten mit Spastik

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

Fokussierte Ionenstrahl-Lithographie zu Etch-Nano-Architekturen in Mikroelektroden

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 ...