Name: bioinspired soft robot with incorporated microelectrodes
Uploaded: 2020-02-28T13:00:00
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Este documento fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (R01AR074234, R21EB026824, R01 AR073822-01), el Premio Innovador Stepping Strong del Instituto de Investigación Brigham y el Premio AHA Innovative Project Award (19IPLOI34660079).

Este estudio se llevó a cabo en estricta conformidad con las recomendaciones de la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio de los Institutos Nacionales de Salud. El protocolo fue aprobado por el Comité Institucional de Cuidado y Uso Animal (IACUC) de Brigham and Women's Hospital.
1. Síntesis de GelMA
<ol><li>Disolver 10 g de gelatina en 100 ml de solución salina con fosfato de Dulbecco (DPBS) utilizando un agitador magnético a 50 oC.</li>
	<li>Añadir 8 ml de anhídrido m...

<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. 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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>

Usando este método, pudimos fabricar con éxito un robot blando bioinspirado en forma de pez batoide con un tejido cardíaco auto-accionador integrado en un andamio estructurado multicapa que es controlado por microelectrodos Au incrustados. Debido a dos capas de hidrogel micropatrón distintas hechas de hidrogeles PEGDA y CNT-GelMA, el andamio bioinspirado mostró buena estabilidad mecánica y alineación y maduración celular ideal. La capa de patrón PEGDA, que sirve como una articulación de cartílago de la arquite...

Los robots blandos modernos de última generación pueden imitar las estructuras jerárquicas y la dinámica muscular de muchos organismos vivos, como las medusas1,2, rayo de picadura2, pulpo3, bacteria4y espermatozoides5. Imitar la dinámica y arquitectura de los sistemas naturales ofrece un mayor rendimiento en términos de eficiencia energética y estructural6. Esto está intrínsecamente relacionado con la naturaleza blanda del tejido natural (por ejemplo, piel o tejido muscular con un módulo de Young entre 104x 109 Pa) que permite mayores grados de libertad y deformación superior y adaptabilidad en comparación con los actuadores de ingeniería estándar (por ejemplo, un módulo de Young generalmente entre 109x 1012 Pa)6. Los actuadores blandos a base de músculo cardíaco, especialmente, muestran una eficiencia energética superior debido a su auto-accionamiento, así como a su potencial de autoreparación y regeneración en comparación con un sistema robótico basado mecánicamente7. Sin embargo, la fabricación de robots blandos es un reto debido a la necesidad de integrar diferentes componentes con diferentes propiedades físicas, biológicas y mecánicas en un solo sistema. Por ejemplo, los sistemas sintéticos de ingeniería deben integrarse con los sistemas biológicos vivos, no sólo proporcionándoles apoyo estructural, sino también influyendo y modulando su comportamiento de actuación. Además, muchos métodos de microfabricación requieren procesos agresivos/citotóxicos y productos químicos que disminuyen la viabilidad y la función de cualquier componente vivo. Por lo tanto, son necesarios nuevos enfoques para mejorar la funcionalidad de los robots blandos y para controlar y modular su comportamiento.
Para integrar con éxito los componentes vivos con una buena viabilidad, un andamio a base de hidrogel es un excelente material para crear el cuerpo de un robot blando. Las propiedades físicas y mecánicas de un hidrogel se pueden ajustar fácilmente para crear microambientes para componentes vivos como los tejidos musculares8,9. Además, puede adoptar fácilmente diversas técnicas de microfabricación, dando como resultado la creación de estructuras jerárquicas con alta fidelidad1,2,10. Los dispositivos electrónicos flexibles se pueden incorporar al robot blando para controlar su comportamiento con estimulación eléctrica. Por ejemplo, las técnicas optogenéticas para diseñar células electrogénicas (por ejemplo, cardiomiocitos), que muestran una activación electrofisiológica dependiente de la luz, se han utilizado para desarrollar un rayo de picadura robótica suave basado en polidimetilsiloxano (PDMS) guiado por la luz que fue capaz de recrear el movimiento ondulatorio del pez in vitro2. Aunque las técnicas optogenéticas han demostrado una excelente capacidad de control, el trabajo presentado utiliza la estimulación eléctrica, un método de simulación convencional y tradicional. Esto se debe a que la estimulación eléctrica a través de microelectrodos flexibles es fácil y simple en comparación con las técnicas optogenéticas, que requieren procesos de desarrollo extensivos11. El uso de dispositivos electrónicos flexibles puede permitir la estimulación a largo plazo y procesos de fabricación estándar / simples, así como la biocompatibilidad ajustable y las propiedades físicas y mecánicas12,13.
Aquí, presentamos un método innovador para fabricar un robot blando bioinspirado, accionado por la paliza de tejido muscular cardíaco de ingeniería y controlado por la estimulación eléctrica a través de microelectrodos Au flexibles integrados. El robot blando está diseñado para imitar la estructura muscular y del cartílago del rayo de picadura. El rayo de picadura es un organismo con una estructura y movimiento relativamente fácil es fácil de imitar en comparación con otras especies de natación. Los músculos se recrean in vitro mediante la sembración de cardiomiocitos en un micropatrón de hidrogel conductor eléctrico. Como se informó anteriormente, la incorporación de nanopartículas conductoras eléctricas como LA CNT en el hidrogel GelMA no sólo mejora el acoplamiento eléctrico del tejido cardíaco, sino que también induce una excelente arquitectura de tejido in vitro y disposición8,9. Las articulaciones del cartílago se imitan utilizando un patrón de hidrogel PEGDA mecánicamente robusto que actúa como el sustrato mecánicamente robusto de todo el sistema. Los microelectrodos Au flexibles con un patrón de serpentina están incrustados en el patrón PEGDA para estimular localmente y eléctricamente el tejido cardíaco.

<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

Los sistemas robóticos blandos bioinspirados que imitan a los organismos vivos utilizando tejido muscular y biomateriales de ingeniería están revolucionando el paradigma actual de la biorobótica, especialmente en la investigación biomédica. La recreación de dinámicas de accionamiento artificiales realistas es crucial para un sistema soft-robótico. Sin embargo, el control preciso y la afinación del comportamiento de accionamiento todavía representa uno de los principales desafíos de los sistemas robóticos blandos modernos. Este método describe un procedimiento de bajo costo, altamente escalable y fácil de usar para fabricar un robot blando eléctricamente controlable con movimientos realistas que es activado y controlado por la contracción del tejido muscular cardíaco en una picadura micropatrón andamio hidrogel similar a un rayo. El uso de métodos de fotolitografía suave permite integrar con éxito múltiples componentes en el sistema robótico blando, incluidos los andamios micropatrónizados a base de hidrogel con nanotubos de carbono (CNT) de gelatina integrada de metacriloyl (CNT-GelMA), diacrilato de poli(etilenglicol) (PEGDA), microelectrodos de oro flexible (Au) y tejido muscular cardíaco. En particular, la alineación de los hidrogeles y el micropatrón están diseñados para imitar la estructura muscular y del cartílago del rayo de picadura. El hidrogel CNT-GelMA conductor eléctrico actúa como un andamio celular que mejora el comportamiento de maduración y contracción de los cardiomiocitos, mientras que el hidrogel PEGDA mecánicamente robusto proporciona un soporte estructural similar al cartílago a todo el robot blando. Para superar la naturaleza dura y frágil de los microelectrodos a base de metal, diseñamos un patrón de serpentina que tiene una alta flexibilidad y puede evitar obstaculizar la dinámica de paliza de los cardiomiocitos. Los microelectrodos Au flexibles incorporados proporcionan estimulación eléctrica a través del robot blando, lo que facilita el control del comportamiento de contracción del tejido cardíaco.

Diagrama de flujo de los pasos para desarrollar el robot blando bioinspirado con microelectrodo Au El objetivo del diseño de robot suave era construir una membrana capaz de accionar un movimiento de natación con una complejidad mínima. La estructura debe ser capaz de mantener fuertes flexión repetidamente a lo largo del tiempo (alrededor de 1 Hz) y ser capaz de mantener su forma mientras se logra una fuerte paliza. Mediante la fotoretición selectiva del polímero utilizando fotomáscaras, fabrica...

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Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Un andamio bioinspirado se fabrica mediante una técnica de fotolitografía suave utilizando hidrogeles mecánicamente robustos y conductores eléctricos. Los hidrogeles micropatrónizados proporcionan alineación direccional de células de cardiomiocitos, lo que resulta en una dirección personalizada de accionamiento. Los microelectrodos flexibles también se integran en el andamio para lograr control eléctrico para un tejido cardíaco autoaccionado.

Robot suave bioinspirado con microelectrodos incorporados

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

Nuestro nuevo método de fabricación de actuadores bioinspirados controlados eléctricamente no sólo puede superar la limitación del actuador biohíbrido existente, sino también mejorar fuertemente el rendimiento del actuador basado en células. Usando esta técnica de bajo costo y fácil de manejar, el comportamiento de accionamiento del robot blando bioinspirado se puede controlar y sintonizar que conduce a la estimulación en tiempo real. Nuestro nuevo método puede extenderse potencialmente hacia la aplicación de un dispositivo electrónico flexible implantable con alimentación inalámbrica para la regeneración cardíaca.Este método también puede servir como una nueva plataforma para el estudio de la estimulación eléctrica local de construcciones latentes celulares. Comience por disolver 80 miligramos de GelMA en cuatro mililitros del PBS de Dulbecco. A continuación, agregue 20 miligramos de nanotubos de carbono multipared funcionalizados de ácido carboxílico y sonice la solución durante una hora a 660 miliatros y 100 vatios.Para crear PEGDA micropatrnados, coloque una capa de cinta transparente comercial de 50 micrómetros de espesor en un portaobjetos de vidrio recubierto con TMSPMA, vierta 15 microlitros de 20% de solución de prepolímero PEGDA encima de la corredera de vidrio recubierto y, a continuación, cúbralo con microelectrodos de oro. Coloque la primera fotomasca en la parte superior de la corredera y exponga toda la construcción a 200 vatios de luz ultravioleta a 800 milivatios de intensidad y una distancia de ocho centímetros durante 110 segundos. Al final de la exposición UV, coloque el portaobjetos de vidrio en el PBS de Dulbecco.Añada una caída de 20 microlitros de la solución de prepolímero GelMA de nanotubos de carbono entre los espaciadores. Después de cinco a 10 minutos, desenganche cuidadosamente el hidrogel PEGDA micropatrnado y los microelectrodos de oro del sustrato de vidrio sin recubrimiento y coloque el portaobjetos boca abajo sobre los espaciadores. Fije la diapositiva a la placa con cinta adhesiva y voltee todo el conjunto al revés.Coloque la segunda fotomasca en el portaobjetos de vidrio y exponga el conjunto a la luz UV como se demostró durante 200 segundos. Al final de la exposición, lave el andamio una vez con PBS fresco de Dulbecco y una vez con el medio de cultivo celular complementado con un 10% de suero bovino fetal. A continuación, coloque el andamio en un medio fresco en un nuevo plato de Petri en una incubadora de 37 grados Celsius durante la noche.Después del aislamiento de cardiomiocitos de corazones de ratas neonatales de dos días de edad de acuerdo con los protocolos estándar, resuspendir las células en un 1,95 veces 10 a las seis células por mililitro de concentración media cardíaca y sembrar las células en el robot blando fabricado en gotas. Cuando toda la superficie del dispositivo haya sido cubierta, incubar las muestras a 37 grados celsius durante cinco días, reemplazando el sobrenadante del cultivo por cinco mililitros de medio de cultivo celular fresco complementado con 2% de suero bovino fetal y 1%L-glutamina el primer y el segundo día después de la siembra. Para evaluar el latido espontáneo de los cardiomiocitos en el robot blando, a partir del tercer día de cultivo, coloque el robot en una etapa de microscopio óptico invertido y utilice un software de captura de vídeo y objetivo 5X o 10X para imaginar la actividad cardiomiocitos durante 30 segundos a 20 fotogramas por segundo.En el quinto día, utilice un portaobjetos para levantar suavemente las membranas en el borde. Usando un PDMS espaciado de tres centímetros como soporte, coloque dos electrodos de varilla de carbono con alambre de platino a un plato Petri de seis centímetros lleno de medio cardíaco y transfiera cuidadosamente el robot suave al plato. A continuación, aplique una forma de onda cuadrada con un ancho de pulso de 50 milisegundos, un valor de desplazamiento de corriente directa de cero voltios y una amplitud de voltaje máximo entre 0,5 y seis voltios.Para la estimulación eléctrica con los microelectrodos de oro, después de la fabricación de construcción multicapa, utilice pasta de plata para conectar dos cables de cobre a los electrodos de oro a través de un puerto cuadrado externo y cubrir la pasta con una fina capa de PDMS precurada a 80 grados Celsius durante cinco minutos. A continuación, coloque la muestra en una placa caliente a 45 grados Celsius durante cinco horas para cruzar completamente el PDMS. Después de sembrar cardiomiocito en los cables conectados robot suave, aplicar un estímulo eléctrico de onda cuadrada en los cables de cobre con el valor de desplazamiento de corriente directa de un voltio, una amplitud de voltaje pico entre 1,5 y cinco voltios, y frecuencias de 0,5, uno y dos hercios respectivamente.Estos robots blandos fueron diseñados biomimicking los patrones de dos animales acuáticos diferentes, la estrella de mar y el mantarraya. Las capas de gelMA de nanotubos de carbono de semillas de cardiomiocitos de cardiomioide mostraron diferentes comportamientos de latido de acuerdo con las distancias del patrón. Para evitar el rodamiento completo irreversible del robot blando durante la paliza dinámica de los cardiomiocitos, el espaciado de patrón de la capa de soporte de hidrogel PEGDA se optimizó a 300 micrómetros.En estos marcos adquiridos a partir de grabaciones de contracción, un actuador en forma de mantarraya se puede observar claramente doblando las alas como se esperaba con la cola equilibrando la estructura enderezando cuando las alas se cernían robustamente en el medio. Algunas de las membranas demuestran un movimiento rotatorio mientras se contraen debido a nanotubos de carbono micropatrnados desalineados GelMA e hidrogeles PEGDA. El tejido cardíaco en patrones de PEGDA micropatrnados y nanotubos de carbono GelMA también se puede visualizar mediante imágenes confocales de F-actin DAPI.La alineación parcial de sarcomos uniaxiales y las estructuras de sarcomere interconectadas también se pueden observar en las áreas modeladas mediante microscopía confocal, así como estructuras de sarcomere bien interconectadas de tejidos cardíacos situados directamente por encima de los microelectrodos. La tensión del umbral de excitación es diferente en diferentes frecuencias de estímulo eléctrico a través del electrodo de carbono externo o cable de cobre conectado al electrodo de oro. El proceso de reticulación UV de PEGDA y el micropatríno GelMA mediante fotomasca es importante para obtener microelectrodos de oro de alta calidad que incorporan multicapas cubiertas.La bioimpresión se puede utilizar para fabricar hidrogel micropatrón y electrodo flexible. Utilizamos la bioimpresión para obtener un robot blando geométricamente bien definido de una manera rápida, económica y de alto rendimiento. Nuestro método puede contribuir potencialmente al desarrollo de la estimulación eléctrica inalámbrica del robot blando a través de la integración de un dispositivo electrónico flexible directamente en el andamio a base de hidrogel.El nanotubo de carbono y los disolventes orgánicos siempre deben manipularse dentro de una campana, ya que las fibras de nanotubos de carbono pueden llegar a los pulmones y suponen un riesgo para el desarrollo del cáncer.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Adaptación de un Robot Haptic en un fMRI 3T

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

Investigación

Bioingeniería

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Diseño de un Robot Bio-respuesta a partir del ADN 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 protocolo para la Bioinspirada Diseño: Planta Sampler Sobre la base de erizo de mar Tiburón

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

Caracterización biomecánica de los tejidos blandos humanos utilizando sangría y Ensayo de tracción

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

Objetivo esterilizable de calidad médica para Fluid-sumergido Fetoscopio óptico Distorsión de calibración

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

Mezcla rápida Preparación de Bioinspirada nanoescala hidroxiapatita para aplicaciones biomédicas

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

Procedimiento suave litográfica para la producción de dispositivos microfluídicos plástico con puertos de vista transparentes a luz Visible e infrarroja

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 robótico isocinético para mejorar la fiabilidad de la prueba y el intertasador para las mediciones de reflejo de estiramiento en pacientes con accidente cerebrovascular con espasticidad

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

Litografía de haz de iones enfocado a etch nano-arquitecturas en microelectrodos

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 ...