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

Questo documento è stato finanziato dal National Institutes of Health (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), dal Brigham Research Institute Stepping Strong Innovator Award e dal AHA Innovative Project Award (19IPLOI34660079).

Questo studio è stato condotto in stretta conformità con le raccomandazioni contenute nella Guida per la cura e l'uso degli animali da laboratorio degli Istituti Nazionali di Sanità. Il protocollo è stato approvato dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali (IACUC) del Brigham and Women's Hospital.
1. Sintesi GelMA
<ol><li>Sciogliere 10 g di gelatina in 100 mL di salina tamponata da fosfati (DPBS) utilizzando un agitatore magnetico a 50 gradi centigradi.</li>
	<li>Aggiu...

<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>

Utilizzando questo metodo, siamo stati in grado di fabbricare con successo un robot morbido bioispirato simile al pesce batoid e con un tessuto cardiaco auto-azionante integrato su uno scaffold strutturato multistrato che è controllato da microelettrodi Au incorporati. A causa di due distinti strati di idrogel micromodellati fatti di idrogel PEGDA e CNT-GelMA, lo scaffold bioinspire d'ispirazione ha mostrato una buona stabilità meccanica e l'allineamento e la maturazione delle cellule ideali. Lo strato di pattern PEGDA...

I moderni robot morbidi all'avanguardia possono imitare le strutture gerarchiche e le dinamiche muscolari di molti organismi viventi, come la medusa1,2, il raggio di pungiglione2, il polpo3,i batteri4e lo sperma5. Imitando le dinamiche e l'architettura dei sistemi naturali offre prestazioni più elevate in termini di efficienza energetica e strutturale6. Questo è intrinsecamente correlato alla natura morbida del tessuto naturale (ad esempio, la pelle o il tessuto muscolare con un modulo di un giovane tra 104x 109 Pa) che consente livelli più elevati di libertà e deformazione e adattabilità superiori rispetto agli attuatori standard ingegnerizzati (ad esempio, un modulo di Young di solito tra 109x 1010 Pa) 6. Gli attuatori morbidi a base muscolare cardiaca, in particolare, mostrano una migliore efficienza energetica grazie alla loro auto-attivazione e al loro potenziale di autoriparazione e rigenerazione rispetto a un sistema robotico basato su meccanica7. Tuttavia, la fabbricazione di robot morbidi è difficile a causa della necessità di integrare diversi componenti con diverse proprietà fisiche, biologiche e meccaniche in un unico sistema. Ad esempio, i sistemi sintetici ingegnerizzati devono essere integrati con sistemi biologici viventi, non solo fornendo loro supporto strutturale, ma anche influenzando e modulando il loro comportamento di attuazione. Inoltre, molti metodi di microfabbricazione richiedono processi duri / citotossici e sostanze chimiche che riducono la vitalità e la funzione di qualsiasi componente vivente. Pertanto, sono necessari nuovi approcci per migliorare la funzionalità dei robot morbidi e per controllare e modulare il loro comportamento.
Per integrare con successo i componenti viventi con una buona vitalità, uno scaffold a base di idrogel è un materiale eccellente per creare il corpo di un robot morbido. Le proprietà fisiche e meccaniche di un idrogel possono essere facilmente regolate per creare microambienti per componenti viventi come i tessuti muscolari8,9. Inoltre, può facilmente adottare varie tecniche di microfabbricazione, con conseguente creazione di strutture gerarchiche ad alta fedeltà1,2,10. I dispositivi elettronici flessibili possono essere incorporati nel robot morbido per controllarne il comportamento con la stimolazione elettrica. Ad esempio, le tecniche optogenetiche per l'ingegneria delle cellule elettrogeniche (ad esempio, i cardiomiociti), che mostrano un'attivazione elettrofisiologica dipendente dalla luce, sono state utilizzate per sviluppare un raggio di puntura robotica morbida basato su polidimetilsiloxane (PDMS) guidato dalla luce che è stato in grado di ricreare il movimento ondulatorio della vitro del pesce in vitro2 . Anche se le tecniche optogenetiche hanno dimostrato un'eccellente controllabilità, il lavoro presentato utilizza la stimolazione elettrica, un metodo di simulazione convenzionale e tradizionale. Questo perché la stimolazione elettrica tramite microelettrodi flessibili è facile e semplice rispetto alle tecniche optogenetiche, che richiedono ampi processi di sviluppo11. L'uso di dispositivi elettronici flessibili può consentire la stimolazione a lungo termine e processi di fabbricazione standard/semplici, nonché la biocompatibilità regolabile e le proprietà fisiche e meccaniche12,13.
Qui, presentiamo un metodo innovativo per fabbricare un robot morbido bioispirato, azionato dal battito del tessuto muscolare cardiaco ingegnerizzato e controllato dalla stimolazione elettrica attraverso microelettrodi Au flessibili incorporati. Il robot morbido è progettato per imitare la struttura muscolare e cartilaginea del raggio di pungiglione. Il raggio di pungiglione è un organismo con una struttura e un movimento relativamente facili da imitare rispetto ad altre specie che nuotano. I muscoli vengono ricreati in vitro seeding cardiomiociti su un micromodello di idrogel elettricamente conduttivo. Come riportato in precedenza, l'incorporazione di nanoparticelle elettricamente conduttive come il CNT nell'idrogel GelMA non solo migliora l'accoppiamento elettrico del tessuto cardiaco, ma induce anche un'eccellente architettura in vitro e disposizione8,9. Le articolazioni della cartilagine vengono poi imitate utilizzando un modello idrogel PEGDA meccanicamente robusto che agisce come il substrato meccanicamente robusto dell'intero sistema. I microelettrodi Flessibili Au con un modello serpentino sono incorporati nel modello PEGDA per stimolare localmente e stimolare elettricamente il tessuto cardiaco.

<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

I sistemi robotici morbidi bioispirati che imitano organismi viventi utilizzando tessuti muscolari ingegnerizzati e biomateriali stanno rivoluzionando l'attuale paradigma biorobotica, specialmente nella ricerca biomedica. La ricreazione di dinamiche artificiali di attivimento realistiche è fondamentale per un sistema soft-robotico. Tuttavia, il controllo preciso e la messa a punto del comportamento di alleuazione rappresentano ancora una delle principali sfide dei moderni sistemi robotici morbidi. Questo metodo descrive una procedura a basso costo, altamente scalabile e facile da usare per fabbricare un robot morbido controllabile elettricamente con movimenti realistici che viene attivato e controllato dalla contrazione del tessuto muscolare cardiaco su una puntura micromodellata a raggi-come scaffold idrogel. L'uso di metodi di fotolitografia morbida consente di integrare con successo più componenti nel sistema robotico morbido, tra cui scaffold a base di idrogel micromodellati con nanotubi di carbonio (CNT) di gelatina emifaccoliloyl (CNT-GelMA), diacrilato poli(etilene glicole), microelettrodi in oro flessibile (Au) e tessuto muscolare cardiaco. In particolare, l'allineamento degli idrogel e il micropattern sono progettati per imitare la struttura muscolare e cartilaginea del raggio di puntura. L'idrogel CNT-GelMA conduttivo elettricamente funge da impalcatura cellulare che migliora il comportamento di maturazione e contrazione dei cardiomiociti, mentre l'idrogel PEGDA robusto meccanicamente fornisce un supporto strutturale simile alla cartilagine a tutto il robot morbido. Per superare la natura dura e fragile dei microelettrodi a base metallica, abbiamo progettato un modello serpentino che ha un'elevata flessibilità e può evitare di ostacolare la dinamica di battitura dei cardiomiociti. I microelettrodi Au flessibili incorporati forniscono stimolazione elettrica attraverso il robot morbido, rendendo più facile controllare il comportamento di contrazione del tessuto cardiaco.

Diagramma di flusso dei passaggi per lo sviluppo del robot morbido bioispirato incorporato con microelettrodo Au L'obiettivo del design soft robot era quello di costruire una membrana in grado di azionare un movimento di nuoto con una complessità minima. La struttura deve essere in grado di sostenere forti flessioni ripetutamente nel tempo (circa 1 Hz) ed essere in grado di mantenere la sua forma, ottenendo un forte battito. Foto che attraversano selettivamente il polimero utilizzando fotomaschere, a...

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

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Uno scaffold bioinspired è fabbricato con una tecnica di fotolitografia morbida utilizzando idrogel sagomati dal punto di guida ed elettricamente conduttivi. Gli idrogel micromodellati forniscono l'allineamento delle cellule cardiomiociti cardiomiociti direzionali, con conseguente direzione di azionamento su misura. I microelettrodi flessibili sono integrati anche nello scaffold per portare la controllabilità elettrica per un tessuto cardiaco auto-octuante.

Robot morbido bioispirato con microelettrodi incorporati

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

Il nostro nuovo metodo di fabbricazione dell'attuatore bioispirato a controllo elettrico può non solo superare la limitazione dell'attuatore bioibride esistente, ma anche migliorare fortemente le prestazioni dell'attuatore a base cellulare. Utilizzando questa tecnica a basso costo e facile da maneggiare, il comportamento di azionamento del robot morbido bioinpirato può essere controllato e sintonizzato portando a una stimolazione in tempo reale. Il nostro nuovo metodo può potenzialmente essere esteso verso l'applicazione di un dispositivo elettronico flessibile impiantabile wireless per la rigenerazione cardiaca.Questo metodo può anche servire come nuova piattaforma per lo studio della stimolazione elettrica locale dei costrutti latenti cellulari. Inizia sciogliendo 80 milligrammi di GelMA in quattro millilitri del PBS di Dulbecco. Quindi aggiungere 20 milligrammi di nanotubi di carbonio multiwallizzati funzionalizzati con acido carbossilico e sonicare la soluzione per un'ora a 660 millihertz e 100 watt.Per creare PEGDA micropatterned, posizionare uno strato di nastro trasparente commerciale spesso 50 micrometri su uno scivolo di vetro rivestito in TMSPMA, versare 15 microlitri di soluzione di prepolimero PEGDA al 20% sopra lo scivolo di vetro rivestito, quindi coprirlo con microelettrodi dorato. Posizionare la prima maschera fotografica sopra lo scivolo ed esporre l'intero costrutto a 200 watt di luce ultravioletta a 800 milliwatt di intensità e una distanza di otto centimetri per 110 secondi. Al termine dell'esposizione ai raggi UV, mettere lo scivolo di vetro nel PBS di Dulbecco.Aggiungere una goccia di 20 microliter della soluzione di prepolimero GelMA a nanotubo di carbonio tra i distanziati. Dopo cinque o 10 minuti, staccare accuratamente l'idrogel PEGDA micropatterned e i microelettrodi dorato dal substrato di vetro non rivestito e posizionare lo scivolo capovolto sui distanziati. Fissare lo scivolo al piatto con nastro adesivo e capovolgere l'intero assieme.Posizionare la seconda maschera fotografica sullo scivolo di vetro ed esporre l'assieme alla luce UV come dimostrato per 200 secondi. Al termine dell'esposizione, lavare l'impalcatura una volta con pbs fresco di Dulbecco e una volta con mezzo di coltura cellulare integrato con siero bovino fetale al 10%. Quindi posizionare l'impalcatura in mezzo fresco in una nuova piastra di Petri in un'incubatrice di 37 gradi Celsius durante la notte.Dopo l'isolamento dei cardiomiociti dai cuori neonatali di due giorni secondo i protocolli standard, resuspend le cellule a 1,95 per 10 alle sei cellule per millilitro di media concentrazione cardiaca e seminare le cellule sul robot morbido fabbricato in goccioline. Una volta coperta l'intera superficie del dispositivo, incubare i campioni a 37 gradi Celsius per cinque giorni, sostituendo il supernatante di coltura con cinque millilitri di terreno di coltura cellulare fresco integrati con siero bovino fetale al 2% e 1%L-glutammina il primo e il secondo giorno dopo la semina. Per valutare il pestaggio spontaneo dei cardiomiociti sul robot morbido, a partire dal terzo giorno di coltura, posizionare il robot su uno stadio di microscopio ottico invertito e utilizzare un obiettivo 5X o 10X e un software di acquisizione video per immagini l'attività cardiomiocitaria per 30 secondi a 20 fotogrammi al secondo.Il quinto giorno, utilizzare uno scivolo di copertura per sollevare delicatamente le membrane sul bordo. Utilizzando un PDMS distanziato di tre centimetri come supporto, apporre due elettrodi di asta di carbonio con filo di platino su una piastra di Petri di sei centimetri riempita di mezzo cardiaco e trasferire con cura il robot morbido nella piastra. Quindi applicare una forma d'onda quadrata con una larghezza dell'impulso di 50 millisecondi, un valore di offset della corrente diretta di zero volt e ampiezza della tensione di picco tra 0,5 e sei volt.Per la stimolazione elettrica con i microelettrodi dorato, dopo la fabbricazione di costrutti multistrato, utilizzare la pasta d'argento per attaccare due fili di rame agli elettrodi d'oro attraverso una porta quadrata esterna e coprire la pasta con un sottile strato di PDMS pre-polimerizzato a 80 gradi Celsius per cinque minuti. Quindi posizionare il campione su una piastra calda a 45 gradi Celsius per cinque ore per collegare completamente il PDMS. Dopo aver seminato cardiomiocita sui fili collegati soft robot, applicare uno stimolo elettrico ad onda quadra sui fili di rame con il valore di offset della corrente diretta di un volt, un'ampiezza di tensione di picco tra 1,5 e cinque volt e frequenze rispettivamente di 0,5, uno e due hertz.Questi robot morbidi sono stati progettati biomimendo i modelli di due diversi animali acquatici, la stella marina e la mante. Gli strati gelMA a nanotubo di carbonio semi di cardiomiociti mostravano diversi comportamenti di battimento a seconda delle distanze del modello. Per evitare un rotolamento completo irreversibile del robot morbido durante il battito dinamico dei cardiomiociti, la spaziatura del modello dello strato di supporto dell'idrogel PEGDA è stata ottimizzata a 300 micrometri.In questi fotogrammi acquisiti dalle registrazioni di contrazione, un attuatore a forma di manta può essere chiaramente osservato piegare le ali come previsto con la coda che bilancia la struttura raddrizzare quando le ali si chiudevano robustamente nel mezzo. Alcune membrane dimostrano un movimento rotante mentre si contrae a causa di nanotubi di carbonio micropatterned disallineati GelMA e idrogel PEGDA. Il tessuto cardiaco su modelli GelMA PEGDA micropatterned e nanotubo di carbonio può anche essere visualizzato dall'imaging confocale DAPI F-actin.L'allineamento parziale uniassiale del sarcomero e le strutture sarcomere interconnesse possono essere osservati anche sulle aree modellate mediante microscopia confocale e strutture sarcomere ben interconnesse dei tessuti cardiaci situate direttamente sopra i microelettrodi. La tensione di soglia di eccitazione è diversa a diverse frequenze di stimolo elettrico attraverso l'elettrodo di carbonio esterno o il filo di rame collegato all'elettrodo d'oro. Il processo di retiatura UV di PEGDA e il micropatterning GelMA utilizzando maschere fotografiche è importante per ottenere microelettrodi in oro di alta qualità che incorporano multistrati coperti.La biostampa può essere utilizzata per fabbricare idrogel micropatterned ed elettrodo flessibile. Abbiamo utilizzato la biostammpa per ottenere robot morbido geometricamente ben definito in modo rapido, economico e ad alta produttività. Il nostro metodo può potenzialmente contribuire allo sviluppo della stimolazione elettrica wireless del robot morbido attraverso l'integrazione di un dispositivo elettronico flessibile direttamente nell'impalcatura a base di idrogel.Il nanotubo di carbonio e i solventi organici dovrebbero sempre essere maneggiati all'interno di una cappa in quanto le fibre di nanotubo di carbonio possono entrare nei polmoni ponendo un rischio per lo sviluppo del cancro.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Adattamento di un robot tattile in un fMRI 3T

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

Ricerca

Bioingegneria

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Progettazione di un robot bio-sensibile da 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

Un protocollo per bioispirati Design: A terra Sampler Sulla base di 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

Caratterizzazione biomeccanica di morbidi tessuti umani usando una indentazione e prove di trazione

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

Medico-grade di destinazione sterilizzabile per fetoscope ottico Distortion calibrazione Fluid-immersi

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 Preparazione di bioispirati Nanoscale idrossiapatite per applicazioni biomediche

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

Procedura litografica morbido per la produzione di dispositivi microfluidici plastica con vista-porte trasparente alla luce visibile e infrarossa

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

Dispositivo robotico isokinetico per migliorare l'affidabilità di Test-Retest e Inter-Rater per misurazioni Stretch Reflex nei pazienti colpiti da corsa con spasticità

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

Focalizzata la litografia del fascio ionico per esacire di nano-architetture nei microelettrodi

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 ...