Name: bioinspired soft robot with incorporated microelectrodes
Uploaded: 2020-02-28T13:00:00
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この論文は、国立衛生研究所(R01AR074234、R21EB026824、R01 AR073822-01)、ブリガム研究所ステッピング強力なイノベーター賞、およびAHA革新的プロジェクト賞(19IPLOI34660079)によって資金提供されました。

この研究は、国立衛生研究所の実験動物のケアと使用のためのガイドの勧告に厳密に従って行われました。この議定書は、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院の動物ケアおよび使用委員会(IACUC)によって承認されました。
1. ゲルマ合成
<ol><li>50°Cの磁気攪拌機を用いて、100 mLのDulbeccoのリン酸緩衝生理食塩水(DPBS)にゼラチン10gを溶かします。</li>
	<li>ゼラチンプレポリマ?...

<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>

この方法を用いて、組み込まれたAuマイクロ電極によって制御される多層構造の足場に統合された自己作動性心臓組織を備えたバチドフィッシュのようなバイオインスピレーションソフトロボットの製造に成功しました。PEGDAおよびCNT-GelMAヒドロゲルで作られた2つの異なるマイクロパターン化ヒドロゲル層により、バイオインスパイア足場は良好な機械的安定性と理想的な細胞の整列と成熟?...

現代の最先端のソフトロボットは、クラゲ1、2、刺す光線2、タコ3、バクテリア4、精子5など、多くの生物の階層構造と筋肉ダイナミクスを模倣することができます。自然システムのダイナミクスとアーキテクチャを模倣すると、エネルギッシュで構造的な効率の両方の面でより高いパフォーマンスを提供しています6.これは、自然組織の柔らかい性質(例えば、104-109 Paの間のヤング率を有する皮膚または筋肉組織)に本質的に関連しており、標準的な設計アクチュエータと比較して、より高い自由度と優れた変形および適応性を可能にする(例えば、ヤングの係数は通常109-1012 Pa)の間である。心筋ベースのソフトアクチュエータは、特に、機械的にベースのロボットシステム7と比較して、自己作動による優れたエネルギー効率とオートリペアおよび再生の可能性を示す。しかし、ソフトロボットの製造は、異なるコンポーネントを異なる物理的、生物学的、機械的特性を持つ1つのシステムに統合する必要性のために困難です。例えば、人工合成システムは、構造サポートを提供するだけでなく、その作動行動に影響を与え、調節するだけでなく、生きている生物学的システムと統合する必要があります。さらに、多くの微細加工方法では、過酷/細胞毒性プロセスと、生きている成分の生存率と機能を低下させる化学物質が必要です。そのため、ソフトロボットの機能を強化し、その動作を制御し、調節するために、新しいアプローチが必要です。
良好な生存率で生きている部品をうまく統合するために、ヒドロゲルベースの足場は柔らかいロボットのボディを作成する優秀な材料である。ヒドロゲルの物理的および機械的特性は、筋肉組織8、9などの生体成分の微小環境を作り出すために容易に調整することができる。また、様々な微細加工技術を容易に採用でき、高忠実度1,2,10の階層構造を作成します。柔軟な電子機器をソフトロボットに組み込み、電気刺激で動作を制御できます。例えば、光依存性電気生理学的活性化を示す電気起源細胞(例えば心筋細胞)を設計する光遺伝学的技術は、ビトロ2で魚の起尿運動を再現することができた光によって導かれたポリジメチルシロキサン(PDMS)ベースのソフトロボット刺線を開発するために使用されている。光遺伝学的技術は優れた制御性を示しているが、提示された研究は、従来の従来のシミュレーション方法である電気刺激を使用する。これは、柔軟な微小電極を介した電気刺激が、光遺伝学的技術に比べて容易かつ簡便であり、広範な開発プロセス11を必要とするからである。柔軟な電子機器の使用は、長期的な刺激と標準/単純な製造プロセスだけでなく、調整可能な生体適合性および物理的および機械的特性12、13を可能にすることができます。
ここでは、バイオインスパイア型ソフトロボットを作製する革新的な方法を提示し、操作された心筋組織の鼓動によって作動し、埋め込まれた柔軟なAu微小電極を介して電気刺激によって制御される。柔らかいロボットは刺す光線の筋肉そして軟骨の構造を模倣するように設計されている。刺線は、他の水泳種と比較して構造と動きを模倣しやすい生物です。筋肉は、導電性ヒドロゲルマイクロパターン上に心筋細胞を播種することによって、インビトロで再現される。既に報告したように、CNTなどの導電性ナノ粒子をGelMAヒドロゲルに組み込むことは、心臓組織の電気的結合性を向上させるだけでなく、優れたインビトロ組織構造および配置8、9を誘導する。軟骨接合部は、システム全体の機械的に堅牢な基板として機能する機械的に堅牢なPEGDAヒドロゲルパターンを使用して模倣されます。サーペンチンパターンを有する柔軟なAu微小電極は、心臓組織を局所的および電気的に刺激するためにPEGDAパターンに埋め込まれる。

<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

生体に影響を与えたソフトロボットシステムは、生体組織と生体材料を用いて生物を模倣し、現在のバイオロボティクスパラダイム、特に生物医学研究に革命を起こしています。人工的な生命のような作動ダイナミクスを再現することは、ソフトロボットシステムにとって非常に重要です。しかし、動作動作の正確な制御とチューニングは、現代のソフトロボットシステムの主な課題の1つです。この方法は、マイクロパターン化された刺傷上の心筋組織の収縮によって活性化され、制御される生命のような動きを有する電気的に制御可能なソフトロボットを製造するための低コストで、非常にスケーラブルで使いやすい手順を記述する光線状のヒドロゲル足場。柔らかいフォトリソグラフィー法を使用することで、マイクロパターン化ヒドロゲルベースの足場を含むソフトロボットシステムに複数のコンポーネントをカーボンナノチューブ(CNT)組み込みゼラチンメタクリロイル(CNT-GelMA)と組み込み可能にするポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(PEGDA)、フレキシブルゴールド(Au)微小電極、心筋組織。特に、ヒドロゲルのアライメントとマイクロパターンは、刺傷線の筋肉および軟骨構造を模倣するように設計されている。導電性CNT-GelMAヒドロゲルは、心筋細胞の成熟および収縮挙動を改善する細胞足場として機能し、機械的に堅牢なPEGDAヒドロゲルは軟骨状の構造をソフトロボット全体に支えます。金属ベースの微小電極の硬くて脆い性質を克服するために、高い柔軟性を持ち、心筋細胞の鼓動を妨げないようにできる蛇行パターンを設計しました。組み込まれた柔軟なAu微小電極は、柔らかいロボット全体に電気刺激を提供し、心臓組織の収縮行動を制御しやすくします。

Au微小電極組込バイオインスパイアソフトロボットの開発ステップのフロー図 ソフトロボットの設計の目的は、最小限の複雑さで泳ぐ動きを作動させることができる膜を構築することであった。構造は、時間の経過とともに繰り返し強い屈曲を維持することができなければならない (約 1 Hz) 強い鼓動を達成しながら、その形状を維持することができる.フォトマスクを用いてポ?...

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Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

バイオインスパイアされた足場は、機械的に堅牢で導電性のヒドロゲルを使用した柔らかいフォトリソグラフィ技術によって製造されています。マイクロパターン化ヒドロゲルは、指向性心筋細胞細胞の位置合わせを提供し、調整された作動方向をもたらす。フレキシブルな微小電極も足場に統合され、自己作動性心臓組織の電気制御性をもたらします。

生体にインスパイアされたマイクロ電極を用いたソフトロボット

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

電気制御バイオインスパイアアクチュエータの新しい製造方法は、既存のバイオハイブリッドアクチュエータの限界を克服するだけでなく、細胞ベースのアクチュエータの性能を強力に向上させることができます。この低コストで扱いやすい技術を使用して、バイオインスピレーションを受けたソフトロボットの作動行動を制御し、リアルタイム刺激に導くことができます。当社の新しい方法は、心臓再生のためのワイヤレス給電式の埋め込み型フレキシブル電子機器の適用に向けて拡張できる可能性があります。この方法はまた、細胞潜伏構造の局所的な電気刺激の研究のための新しいプラットフォームとして役立つことができる。ダルベッコのPBSの4ミリリットルにGelMAの80ミリグラムを溶解させることから始めます.その後、カルボン酸の機能化された多層カーボンナノチューブの20ミリグラムを追加し、660ミリヘルツと100ワットで1時間の溶液を超音波処理します。マイクロパターン化されたPEGDAを作成するには、厚さ50マイクロメートルの商用透明テープの1層を1枚のTMSPMAコーティングガラススライドに配置し、コーティングされたガラススライドの上に20%PEGDAプレポリマー溶液の15マイクロリットルを注ぎ、金のマイクロ電極で覆います。スライドの上に最初のフォトマスクを置き、800ミリワットの強度で200ワットの紫外線に、110秒間8センチメートルの距離に構成全体を露出させます。UV露光の終わりに、ガラススライドをダルベッコのPBSに入れます。スペーサー間にカーボンナノチューブGelMAプレポリマー溶液の20マイクロリットルの滴を加えます。5~10分後、マイクロパターン化されたPEGDAヒドロゲルと金のマイクロ電極をコーティングされていないガラス基板から慎重に取り外し、スライドをスペーサーに逆さまにします。粘着テープで皿にスライドを固定し、アセンブリ全体を逆さまに反転させます。2 番目のフォトマスクをガラス スライドに置き、200 秒間デモしたようにアセンブリを UV ライトに公開します。暴露の終わりに、新鮮なダルベッコのPBSで足場を1回洗い、10%のウシ胎児血清を添加した細胞培養培地で1回洗う。その後、新鮮な培地でスキャフォールドを新しいペトリ皿に入れ、一晩で37度の摂氏インキュベーターに入れます。標準的なプロトコルに従って2日齢の新生児ラットの心臓から心筋細胞を単離した後、心臓培地濃度のミリリットル当たり6細胞に1.95倍の10倍の細胞を再中断し、細胞を液滴で作製された柔らかいロボットに播種する。装置の表面全体が覆われている場合、サンプルを摂氏37度で5日間インキュベートし、培養上清を、播種後1日目と2日目に2%ウシ胎児血清および1%L-グルタミンを添加した5ミリリットルの新鮮な細胞培養培地に置き換える。柔らかいロボットの心筋細胞の自発的な拍動を評価するには、培養3日目からロボットを逆光顕微鏡ステージに置き、5Xまたは10倍の目的とビデオキャプチャソフトウェアを使用して、1秒間に20フレームで30秒間心筋細胞活動を画像化します。5日目には、カバースライドを使用して、端の膜をそっと持ち上げます。3センチの間隔のPDMSをホルダーとして使用し、2つのカーボンロッド電極に白金線を付けて、心臓媒体で満たされた6センチメートルのペトリ皿に貼り付け、柔らかいロボットを慎重に皿に移します。次に、50 ミリ秒のパルス幅、直流オフセット値 0 ボルト、ピーク電圧振幅が 0.5 ~ 6 ボルトの方形波形を適用します。金の微小電極による電気刺激では、多層構造を作製した後、銀ペーストを使用して、外付けの正方形ポートを通して金電極に2本の銅線を取り付け、5分間摂氏80度で予用したPDMSの薄い層でペーストを覆います。その後、サンプルをホットプレートの上に5時間摂氏45度で置き、PDMSを完全に架橋します。接続されたソフトロボットにカーディオサイトをシーディングマイオサイトをシーディングした後、1ボルトの直流オフセット値、1.5~5ボルトのピーク電圧振幅、および0.5、1、および2つのヘルツの周波数を持つ銅線に対して、四方波の電気刺激を適用します。これらのソフトロボットは、ヒトデとマンタの2つの異なる水生動物のパターンをバイオミミックすることによって設計されました。カーディオミオサイトの播種カーボンナノチューブGelMA層は、パターン距離に応じて異なる拍動挙動を示した。心筋細胞の動的拍動時にソフトロボットの不可逆的完全な転がりを防ぐために、PEGDAヒドロゲル支持層のパターン間隔を300マイクロメートルに最適化した。収縮記録から得られたこれらのフレームでは、翼が真ん中に強固に閉じたときにまっすぐにして構造のバランスを取る尾で翼を予想通り曲げてマンタ線形アクチュエータを明確に観察することができる。膜の一部は、誤整列したマイクロパターン化されたカーボンナノチューブGelMAおよびPEGDAヒドロゲルによる収縮中の回転運動を示す。微量パターン化PEGDAおよびカーボンナノチューブGelMAパターン上の心臓組織も、F-アクチンDAPI共焦点イメージングによって可視化することができる。部分的な単軸サルコメアアアライメントおよび相互接続されたサルコメア構造は、共焦点顕微鏡法と、微小電極の真上に位置する心臓組織の相互接続されたサルコメア構造によってパターン化された領域でも観察することができる。励起閾値電圧は、金電極に接続された外部カーボン電極または銅線を介した電気刺激の周波数が異なる。ペグダのUV架橋プロセスとフォトマスクを用いたGelMAマイクロパターニングは、多層を取り入れた高品質の金微小電極を得るために重要である。バイオプリンティングは、マイクロパターン化ヒドロゲルおよびフレキシブル電極の製造に使用できます。バイオプリンティングを使用して、形状的に明確に定義されたソフトロボットを、迅速、安価、高スループットの方法で取得しました。当社の方法は、柔軟な電子機器をハイドロゲルベースの足場に直接統合することで、ソフトロボットのワイヤレス電気刺激の開発に寄与する可能性があります。カーボンナノチューブ繊維は、がんの発症リスクをもたらす肺に入ることができるので、カーボンナノチューブと有機溶剤は常にフードの中で処理する必要があります。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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DNA折り紙からバイオ応答ロボットの設計

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

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

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