MT Holley נתמך על ידי תוכנית עמיתי בוגרים של מועצת לואיזיאנה של ריג &#39;נט, ו C. דניאלסון נתמך על ידי הווארד יוז המכון הרפואי פרופסורים התוכנית. מחקר זה נתמך על ידי NSF גרנט מס &#39;: 1530884.

<ol>
	<li>Feinberg, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+Soft+Robotics.">Biological Soft Robotics.</a> Annu. Rev. Biomed. Eng. 17, 243-265 (2015).</li><li>Akiyama, 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=Room+Temperature+Operable+Autonomously+Moving+Bio-Microrobot+Powered+by+Insect+Dorsal+Vessel+Tissue.">Room Temperature Operable Autonomously Moving Bio-Microrobot Powered by Insect Dorsal Vessel Tissue.</a> PLOS ONE. 7, 38274 (2012).</li><li>Herr, H., Dennis, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+swimming+robot+actuated+by+living+muscle+tissue.">A swimming robot actuated by living muscle tissue.</a> J. NeuroEng Rehabil. 1, 6 (2004).</li><li>Park, S., 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>Cvetkovic, 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=Three-dimensionally+printed+biological+machines+powered+by+skeletal+muscle.">Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 111, 10125-10130 (2014).</li><li>Williams, B. J., Anand, S. V., Rajagopalan, J., Saif, M. T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+self-propelled+biohybrid+swimmer+at+low+Reynolds+number.">A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number.</a> Nat. Commun. 5, (2014).</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, 3473-3484 (2016).</li><li>Hopkins, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skeletal+muscle+physiology.">Skeletal muscle physiology.</a> Contin Educ Anaesth Crit Care Pain. 6, 1-6 (2006).</li><li>Nawroth, 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=A+tissue-engineered+jellyfish+with+biomimetic+propulsion.">A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion.</a> Nat Biotechnol. 30 (8), 729-797 (2012).</li><li>Ehler, E., Moore-Morris, T., Lange, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolation+and+Culture+of+Neonatal+Mouse+Cardiomyocytes.">Isolation and Culture of Neonatal Mouse Cardiomyocytes.</a> J. Vis. Exp. JoVE. (79), e50154 (2013).</li><li>Bers, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calcium+Fluxes+Involved+in+Control+of+Cardiac+Myocyte+Contraction.">Calcium Fluxes Involved in Control of Cardiac Myocyte Contraction.</a> Circ. Res. 87, 275-281 (2000).</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+Biological+actuators.">Carbon-Nanotube-Embedded Hydrogel Sheets for Engineering Cardiac Constructs and Biological actuators.</a> ACS Nano. 7, 2369-2380 (2013).</li><li>Park, 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=Real-Time+Measurement+of+the+Contractile+Forces+of+Self-Organized+Cardiomyocytes+on+Hybrid+Biopolymer+Microcantilevers.">Real-Time Measurement of the Contractile Forces of Self-Organized Cardiomyocytes on Hybrid Biopolymer Microcantilevers.</a> Anal. Chem. 77, 6571-6580 (2005).</li><li>Tamayo, 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=Quantification+of+the+surface+stress+in+microcantilever+biosensors:+revisiting+Stoney's+equation.">Quantification of the surface stress in microcantilever biosensors: revisiting Stoney's equation.</a> Nanotechnology. 23, 475702 (2012).</li><li>Nunes, S. S., 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=Biowire:+a+platform+for+maturation+of+human+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes.">Biowire: a platform for maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.</a> Nat. Methods. 10, 781-787 (2013).</li><li>Louch, W. E., Sheehan, K. A., Wolska, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+in+Cardiomyocyte+Isolation,+Culture,+and+Gene+Transfer.">Methods in Cardiomyocyte Isolation, Culture, and Gene Transfer.</a> J. Mol. Cell. Cardiol. 51, 288-298 (2011).</li><li>Alford, P. W., Feinberg, A. W., Sheehy, S. P., Parker, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biohybrid+thin+films+for+measuring+contractility+in+engineered+cardiovascular+muscle.">Biohybrid thin films for measuring contractility in engineered cardiovascular muscle.</a> Biomaterials. 31, 3613-3621 (2010).</li><li>Sfakiotakis, M., Lane, D. M., Davies, J. B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+fish+swimming+modes+for+aquatic+locomotion.">Review of fish swimming modes for aquatic locomotion.</a> IEEE J. Ocean. Eng. 24, 237-252 (1999).</li></ol>

למחברים אין מה לחשוף.

ההליך המתואר כאן מתאר שיטת זריעה מוצלחת עבור PDMS מבוססי actuators ו biorobots, אשר מאפשר את ההתקשרות של cardiomyocytes. יתר על כן, התהליך של רכישת התמונה ואת הניתוח הבאים המאפיינת את ההתנהגות של התאים ואת הביצועים של המכשירים תוארה. ראינו התכווצות ספונטנית של תאים על זרועות שלוחה לאחר 24 שעות; את עוצמת התכווצויות המשיך לעלות בהתמדה לאורך זמן והגיע מקסימום ביום 6, לאחר מכן אינטנסיביות ירד לאט. למרות הזרועות שלוחה של המפעיל הביולוגי היו רק 4 מ&quot;מ אורך, סטיות גדולות עד 2.5 מ&quot;מ נצפו, במיוחד לאחר 6 ימים בתרבות. המודול הנמוך של יאנג (750 kPa) ועובי נמוך במיוחד של שלוחה (25 מיקרומטר) מותר סטיות גדולות כאלה, אשר הביא הנעה חזקה של biorobots. על מנת להעריך את המאפיין המכניS של תאים אלה, אנו לכמת את התכווצות התא כוחות המתיחה שנוצר על כל יום. Thilles הסרט דק שימשו למדידת התכווצות הלחץ מכני המושרה על ידי cardiomyocytes או תאי שריר אחרים 13 , 17 . כוח התכווצות דינמי מקסימלי נמדד של 165 mN / m במחקר זה הוא להשוות את הספרות 13 , שבו תאים seeded על שלוחה הידרוגל הציג מתח סיסטולי של כ 82.8 ± 22.4 mN / m. הכוחות הנמדדים והעלייה בלחץ לאורך זמן היו קשורים להתבגרות התאים הנזרעים על המכשיר, כפי שניתן לראות מהעלייה המקבילה בביטוי החלבון הצרני והציטוסקלאלי. הצימוד האלקטרומכני גדל גם עם הזמן, כפי שניתן לראות מהגידול בביטוי של חלבון הצומת של הצומת connexins-43. מכשיר biorobot שפותחה כאן נופל בקטגוריהשל שחיינים ostraciiform 18 , שבו הנעה מסופק על ידי מכשכש של זנב סטיה מוגבל סנפיר הזנב. מהירות השחייה המקסימלית של 142 מיקרומטר / s, שהוצגו על ידי biorobot מצב אנכי, הוא בין הערכים הנמדדים של biorobots אחרים שחייה פופולריים בספרות, שהם biorobots מבוסס flagella עם מהירויות של כ 9.7 מיקרומטר / s 6 ו-הנעה סילון התקני מצב עם מהירויות של 6-10 מ&quot;מ / s 9 . בשנים האחרונות, מכונות ביולוגיות רבות או biorobots פותחו באמצעות חומרים רכים, גמישים, כגון PDMS ו הידרוגלים, והם seeded עם תאים שרירים התכווצות. הליכה biorobots שחייה יש garnered גדל להתמקד כחלופה רובוטים מסורתיים בשל הפוטנציאל שלהם לתפקד כמו אנרגיה יעילה, רובוטים זריז עם תיקון עצמי פוטנציאל 1 , 5 . שלא כמו אחרים biorobots בהספרות, את biorobot שפותח במחקר זה יכול לשמור על גובה הצליל, רול, ואת עומק הטבילה 7 . עם זאת, אריכות ימים של תאים לב המשמש כאן היא אחת המגבלות הגדולות ביותר, כמו תוחלת החיים מוגבל ל 10 ד. כדי להתגבר על הגבלה זו, ניתן להשתמש בסוגי תאים מסוגים שונים כדי להניע את המכשיר, ולא תאים שמקורם ביונקים. לדוגמה, עבודות שונות של Akiyama et al. יש לחקור את השימוש של תאים חרקים חרקים act actation, שכן יש להם חיים ארוכים משתרע יכול לשרוד בטמפרטורה אטמוספרי 2 . נכון לעכשיו, התאים מתורבתים איזוטרופית על משטח שלוחה, אשר מגביל את כוח התכווצות נטו שנוצר. במחקרים עתידיים, אחד השינויים האפשריים שניתן לכלול יהיה לשלב micropatterns על cantilevers להשיג יישור אנאיזוטרופי של תאים seeded 9 . כמו כן, electrOds יכול להיות מוכנס לגירוי חשמלי כדי לשפר את הכוח שנוצר על ידי התאים 4 . עם התקדמות מתמשכת בטכנולוגיות ייצור וטכנולוגיה, מכשירים אלה יכולים לסלול את הדרך לפיתוח מכונות ביולוגיות חדש עם יישומים מגוונים, כגון משלוח המשלוח. לדוגמה, את הבסיס של biorobot שפותח כאן ניתן לשנות בקלות לשאת חבילות קטנות ( כלומר מטען) 7 . לכן, בעבודה זו, סיפקנו גישה חלופית לפתח biorobot, תוך התמקדות משתנה המאפיינים של עמוד השדרה מכני ליצור מבנה מייצב את עצמי. יתר על כן, המפעיל הביולוגי שפותחה כאן ניתן להשתמש כדי לקבוע את הלחץ התכווצות של סוגי תאים אחרים, כגון fibroblasts ו המושרה בתאי גזע pluripotent.

Biorobots הם מכשירים המבוססים על תאים חיים כי הם משולבים בתוך עמוד שדרה מכני כי הוא מורכב בדרך כלל מחומרים רכים, גמישים, כגון PDMS או הידרוג 1 . התאים עוברים צירים קצביים, או באופן ספונטני או בתגובה לגירויים, ובכך מתפקדים כמפעיל. הכוח שנוצר מכווץ התא כונני biorobots שונים. תאים לב יונקים (cardiomyocytes) ותאי שריר השלד משמשים לעתים קרובות עבור actuation biorobot בשל המאפיינים התכווצות שלהם. מלבד cardiomyocyte ותאי שריר השלד, סוגים אחרים של תאים, כגון רקמות שריר חרקים 2 ו tissanted רקמות שריר 3 , כבר בשימוש. רקמות שריר חרקים לאפשר את הפעולה של המפעילים הביולוגיים בטמפרטורת החדר. הפונקציה והביצוע של biorobot נקבעים בעיקר על ידי כוח ועקביות של מפעיל ביולוגי ( כלומר. תאי שריר), בעוד מבנה עמוד השדרה מכני קובע בעיקר את מנגנוני התנועה, היציבות, ואת הכוח. מכיוון שמכשירים אלה מונעים אך ורק על ידי כוחות הנוצרים על ידי תאים, אין מזהמים כימיים או רעשים תפעוליים. לכן, הם מהווים חלופה חסכונית באנרגיה לרובוטים קונבנציונליים אחרים. מקורות ספרות שונים דנו בשיטות השונות לשלב תאים חיים ורקמות לתוך biorobots 1 , 4 , 5 . ההתקדמות microfabrication ורקמות טכניקות הנדסה אפשרו את הפיתוח של biorobots שיכול ללכת, אחיזה, לשחות, או משאבת 5 , 6 . באופן כללי, תאים מתורבתים ישירות על עמוד השדרה מכני (פולימרי) כמו גיליון תא confluent או שהם יצוק לתוך מבנים actuating 3 ממדי בתוך פיגומים כגון טבעות ופסים. לרוב, biorobots הםמפוברק באמצעות גליונות cardiomyocyte 6 , 7 , כמו תאים אלה יש יכולת מולדת להפגין התכווצות ספונטנית ללא גירויים חיצוניים. מצד שני, דיווחים על גיליונות שלד שרירי השלד מוגבלים בשל הצורך שלהם לגירויים כדי ליזום התכווצויות במבחנה על מנת ליזום deolarization ממברנה 8 . פרוטוקול זה הראשון מתאר כיצד cardiomyocytes זרע על actuator ביולוגי פונקציונלי עשוי שלוחה PDMS דק. לאחר מכן הוא מתאר בפירוט את זריעת וניתוח של פרופילי השחייה. שלוחה הוא functionalized עם חלבון דבק תא כגון fibronectin והוא seeded confluently עם cardiomyocytes. כמו התאים seeded על חוזה המכשיר, הם גורמים שלוחה להתכופף ובכך לפעול כמפעיל. עם הזמן, כמו התאים בוגרת, אנו עוקבים אחר השינויים בלחץ פני השטח על המכשיר על ידי ניתוח קטעי וידאו שלכיפוף שלוחה. המפעיל הביולוגי שפותח כאן ניתן להשתמש כדי לקבוע את המאפיינים של כל סוג התא, כגון fibroblasts או המושרה pluripotent גבעולים תאים, כפי שהם עוברים differiation. רוב המחקרים המוקדמים על ביורובוטס התמקדו בפיתוח של מיזמים ביולוגיים, בעוד שהמיטוב של ארכיטקטורת הביורובוט והיכולות הפונקציונליות הוזנח במידה רבה. לאחרונה, כמה מחקרים הוכיחו את יישום מצבי שחייה ב biorobots כי הם בהשראת הטבע. לדוגמה, שחייה biorobots עם תנועה מבוססת flagella 6 , הנעה מדוזה 9 , וקרני ביו היברידית 4 כבר מהונדסים. שלא כמו עבודות אחרות בספרות, כאן אנו מתמקדים משתנה המאפיינים של עמוד השדרה מכני ליצור מבנה מייצב את עצמי. Biorobot שפותחו במחקר זה מסוגל לשמור על גובה קבוע, רול, ו- IMעומק המרעה כפי שהוא שוחה. פרמטרים אלה ניתן לשנות על ידי שינוי עובי של כל מרוכב בסיס. את השלבים ייצור מעורב בפיתוח PDMS actuator, biorobot הצוללת, ופונקציונליזציה של המכשיר מתוארים בפירוט בחלק 1 של מאמר זה שני חלקים, כמו גם בעבודה האחרונה שלנו 7. הטכניקה שפותחה כאן יכול לסלול את הדרך לפיתוח של biorobots חדש, יעיל מאוד עבור יישומים שונים, כגון משלוח המשלוח. תהליך הבידוד במחקר זה דומה לתהליך המתואר בעבודה קודמת 10 , וכן בעבודות שפורסמו לאחרונה. שיטות microfabrication המשמשים להבראת PDMS actuators והתקנים biorobot מתוארים בפירוט בחלק 1 של כתב היד הזה שני חלקים. סעיף הפרוטוקול של כתב היד הזה מתאר את השלבים הכרוכים זריעת cardiomyocytes על PDMS מפוברק אCtuator ואת biorobot בעקבות functionalization שלהם עם חלבונים דבק התא.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Chemicals and reagents&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cardiomyocytes (primary cardiac cells)</td><td>Charles River</td><td>NA</td><td>Isolated from 2-day old neonatal Sprague Dawley rats</td></tr><tr><td>Dulbecco&amp;rsquo;s modified eagle&amp;rsquo;s media (DMEM)</td><td>Hyclone Laboratories</td><td>16750-074</td><td>with 4500 mg/L glucose, 4.0 mM L-glutamine, and 110 mg/L sodium pyruvate</td></tr><tr><td>Fetalclone III serum</td><td>Hyclone industries, GE</td><td>16777-240</td><td>Fetal bovin serum (FBS)</td></tr><tr><td>Dulbecco&amp;rsquo;s phosphate buffer (PBS)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D1408-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Penicillin-G sodium salt</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3032</td><td></td></tr><tr><td>Goat serum</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G9023</td><td></td></tr><tr><td>4,6-diamidino-2-phenylindole dihydrocholride powder (DAPI)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D9542</td><td></td></tr><tr><td>Fibronectin from bovine plasma</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F1141</td><td>Solution (1 mg/ml)</td></tr><tr><td>Calcein-AM and ethidium homodimer-1 kit (Live/Dead Assay)</td><td>Molecular Probes</td><td>L3224</td><td></td></tr><tr><td>Calcium Fluo-4, AM</td><td>Molecular Probes</td><td>F14217</td><td>calcium indicator dye</td></tr><tr><td>Tyrodes salt solution</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T2397</td><td>buffer solution</td></tr><tr><td>Pluronic F-127</td><td>Molecular Probes</td><td>P3000MP</td><td>nonionic surfactant-20 % solution in Dimethylsiloxane (DMSO)</td></tr><tr><td>16% Parafomaldehyde</td><td>Electron microscopy</td><td>15710</td><td>Caution: Irritant and combustible</td></tr><tr><td>Triton x-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>X-100 100 mL</td><td>cell lyses detergent, (4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol, t-Octylphenoxypolyethoxyethanol, Polyethylene glycol tert-octylphenyl ether)</td></tr><tr><td>ProLong gold antifade reagent</td><td>Molecular Probes</td><td>P10144</td><td>Mounting agent</td></tr><tr><td>Alexa Fluor 594 Phalloidin</td><td>Molecular Probes</td><td>A12381</td><td>Actin filament marker</td></tr><tr><td>Goat anti-rabbit IgG (H+L) secondary antibody, Alexa Fluor 594 conjugate</td><td>Molecular Probes</td><td>A-11012</td><td></td></tr><tr><td>pha</td><td>Molecular Probes</td><td>A-11001</td><td></td></tr><tr><td>Anti-connexin 43 antibody</td><td>Abcam</td><td>ab11370</td><td>Gap junction marker</td></tr><tr><td>Anti-cardiac troponin I antibody</td><td>Abcam</td><td>ab10231</td><td>Contractile protein</td></tr><tr><td>16% EM grade paraformaldehyde solution</td><td>Electron microscopy</td><td>100503-916</td><td></td></tr><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td><td>Elsevier</td><td></td><td>Sylgard 184</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Materials and Equipment&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Camera</td><td>Thor Labs</td><td>DCC1545M</td><td></td></tr><tr><td>LED light strip</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Any white LED without spectrum emission</td></tr><tr><td>Confocal microscope</td><td>Nikkon C2</td><td>NA</td><td>Confocal microscope with three filter set.</td></tr><tr><td>Zooming lens</td><td>Infinity</td><td>Model# 252120</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Software&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>NA</td><td>Used in Section 4) for biological actuator analysis.</td></tr><tr><td>Image J</td><td>National Institute of Health</td><td>NA</td><td>Java-based image processing software. Used in Section 5) for biorobot analysis.&lt;br/&gt; Free Image Processing and Analysis software in java. (https://imagej.nih.gov/ij/)</td></tr><tr><td>Thor Cam</td><td>Thor Labs</td><td>NA</td><td>Camera operating software</td></tr></tbody></table>

cardiac muscle cell-based actuator and self-stabilizing biorobot - part 2

בשנים האחרונות, התקנים היברידיים המורכבת של תא חי או רכיב רקמה משולב עם חוט שדרה סינתטי פותחו. התקנים אלה, הנקראים biorobots, מופעלים אך ורק על ידי כוח שנוצר על ידי פעילות מכווצת של הרכיב החי, בשל היתרונות הטבועים רבים, יכול להיות חלופה קונבנציונאלי מלא רובוטים מלאכותיים. כאן, אנו מתארים את שיטות זרע לאפיין actuator ביולוגי biorobot שתוכנן, מפוברק, ו functionalized בחלק הראשון של מאמר זה שני חלקים. מפעיל ביולוגי מפוברק ומכשירי biorobot המורכבים מבסיס polydimethylsiloxane (PDMS) וממשק סרט דק היו פונקציונליים עבור התקשרות תא עם fibronectin. לאחר functionalization, cardiomyocytes חולדה neonatal היו seeded על הזרוע PDMS זרוע בצפיפות גבוהה, וכתוצאה מכך גיליון תאים confluent. המצלמות היו צילמו כל יום ותנועת הקאנטיזרועות המנוף נותחו. ביום השני לאחר הזריעה, ראינו את כיפוף הזרועות שלוחות בשל כוחות המופעל על ידי התאים במהלך התכווצויות ספונטנית. לאחר ניתוח כמותי של כיפוף שלוחה, עלייה הדרגתית הלחץ פני השטח המופעל על ידי התאים כפי שהם התבגרו לאורך זמן נצפתה. כמו כן, ראינו התנועה של biorobot עקב actuation של הזרוע PDMS זז, אשר פעל כסנפיר. עם כימות של פרופילי השחייה של המכשירים, נצפו מצבים הנעה שונים, אשר הושפעו בזווית המנוחה של הסנפיר. כיוון התנועה ותדר המכות נקבעו גם על ידי זווית המנוחה של הסנפיר, ורמת מהירות מקסימלית של 142 מיקרומטר לשנייה נצפתה. בכתב יד זה, אנו מתארים את הנוהל לאכלוס המכשירים המפוברקים עם קרדיומיוציטים, וכן להערכת המפעיל הביולוגי ופעילות ביורובוט.

<html> המפעיל הביולוגי עשוי שלוחה PDMS דק (25 מיקרומטר עובי) ו cardiomyocytes מהווה את הליבה של biorobot שחייה, כפי שמוצג סכמטי ואת צילום מסך של מכשירים באיור 1 . התאים מתחילים להציג התכווצויות לאחר 24 שעות בתרבות, וכיפוף של זרועות שלוחה נצפתה על ידי יום 2. פרופיל הצד של המכשיר נרשם מדי יום, ואת הלחץ פני השטח היה לכמת מן כיפוף של זרועות שלוחה באמצעות ניתוח תמונה מותאמת אישית סקריפט 7 - - . המתח הדינמי והדינמי חולץ מהלחץ על פני השטח בכל יום ( איור 2 א ). שים לב כי מתח סטטי (כוח המתיחה התא) הוא הלחץ התכווצות התאים התערוכה על פני השטח שלהם במצב מנוחה ואת המתח הדינמי (התכווצות כוח התא) הוא הלחץ שנוצר על ידי התאים על התכווצות מקסימלית. R.within-page = &quot;1&quot;&gt; המפעיל הביולוגי המשיך להפגין התכווצויות ספונטניות עד 10 ד &#39;, והנתונים נאספו במשך 6 הימים הראשונים. כאשר התאים התבגרו בתרבות, עלייה הדרגתית במתח סטטי ודינמי נצפתה לאורך זמן ( איור 2 א ). הייתה סטייה סטנדרטית גדולה במדידת הכוחות בשל הבדלים בהבשלת התאים בין דגימות שונות. התאים הציגו כוח מקסימלי המתיחה של התא 50 mN / m וכוח התכווצות מקסימלית של כ 165 mN / m ביום 6. ניתוח של כל הנתונים האישיים עבור דגימות מרובות הראה מתאם חיובי חזק בין מדגיש סטטי ודינמי, כמו שניהם הראה עלייה עם הזמן. על מנת לכמת את ההתבגרות של cardiomyocytes לאורך זמן, את רמות הביטוי של כמה חלבונים מבניים ופונקציונליים cardiomyocyte, כגון טרופונין לב אני, הצומת הפער חלבון connexin-43, ו actin filamenTs, חושבו. כפי שניתן לראות בתרשים 2b , עלייה מתמדת במדידות אינטנסיביות לאורך זמן נצפו, המתאים הביטוי של החלבונים המתאימים. עלייה זו ביטוי ביטוי חלבון מאשרת את ההבשלה של התאים (טרופונין לב אני) 15 , גידול תאים להתפשט ( כלומר עלייה ביטוי actin), וכן עלייה interconnectivity התא ( כלומר עלייה במספר צמתים הפער). המדדים הסטטיים והדינמיים המתוארים בתרשים 2 א נמדדו באמצעות סקריפט מחשב מותאם אישית, כמתואר בסעיף הקודם. לאחר שהתמונות המוקלטות של המפעיל הביולוגי נטענו לתוך המערכת, התסריט מאפשר מעקב אחר תנועת הזרוע שלוחה בעזרת סמנים שהוקצו באופן ידני, כפי שמוצג באיור 3 . עלייה הדרגתית בזווית הכפיפה של הקנטילזרועות ver נצפתה לאורך זמן בתרבות, אשר תאמו את הגידול התכווצות דינמי כוח המתיחה סטטית התא שהוצגו על ידי התאים 7 . התוצאות של assay השטף סידן ואת הווידאו הקשורים מסופקים בעבודה שפורסם בעבר 7 . Biorobots הציגו התכווצויות ספונטניות ביום 2 לאחר זריעת תאים הצליחו לשחות באופן אופקית עד 10 ד. עקב איזון הכוחות בין משקלו של הביורובוט לבין הציפה, המכשיר שמר על מיקום יציב בממשק האוויר / בינוני. עקירה או תנועה של biorobots היה מונע על ידי התכווצויות סינכרוני של cardiomyocytes, אשר גרמה כיפוף של זרועות שלוחה דק פעלו כמפעיל. נצפתה כי המהירות של biorobots והמרחק נע עם כל שבץ ירד לאחר 6 ד בתרבות. מאז תאי השריר להשתמשבמחקר זה היו cardiomyocytes העיקרי מבודד חולדות הלידה, אוכלוסיית התא seeded גם הכיל סוגים אחרים של תאים, כגון fibroblasts לב, אשר מאוד שגשוג 16 . כמו fibroblasts לב להתרבות להתפשט לאורך זמן בתרבות, הם יכולים לדכא את contractility של cardiomyocytes. התוצאה עולה בקנה אחד עם מחקרים אחרים הראו כי הפעילות של תאים ראשוניים יורדת מטבעו לאחר השבוע הראשון בתרבות 16 . במחקר עתידי, התרבות התא יכול להיות מטופל עם סוכני אנטי מיטוגן לחסום התפשטות שאינם מיוציטים כדי להגדיל את החיים של biorobots. ראינו כי זווית מנוחה של הזרוע שלוחה לאחר המצאה נקבע פרופיל השחייה של biorobots, מתן או אופקי או אנכי למצב של פרופילי שחייה של biorobots. כאן, &quot;אופקי&quot; ו &quot;verticאל &quot;מתייחסים לזווית המנוחה של שלוחה ביחס ציר אופקי ולא מתייחסים לכיוון של תנועה לשחייה 7. biorobots אנכי היה זווית מנוחה של כ 110 ° ו חוזה בזווית של 90 °, בעוד במצב אופקי מצב biorobots היה זווית מנוחה של כ 45 ° ו התכווץ על הציר האופקי (0 °). כמו כן, ראינו מגוון רחב של תדרים מכות על פני כל הדוגמאות ו מסווגת אותם רחב כמו גם בתדירות גבוהה (HF ) או במצב תדר נמוך (LF) .תרשים 4 משווה את המהירות, את תדירות המכות ואת המרחק המבוצע עבור שבץ אחד עבור שלושה סוגים עיקריים של biorobots: HF אופקי, LF אופקי ומצב אנכי.הביוגרפיות HF האופקיות הציגו ממוצע תדירות הכאה של 1.6 ± 0.417 הרץ, בעוד biorobots LF אופקי שמרה על 1.09 ± 0.134 הרץ יציב.למרות biorobots אנכי הציג רק 0.86 ± 0.07 הרץ, הם exhiBited מהירות לשחות גבוהה יותר של 142 מיקרומטר / ים והציג את המרחק הגדול ביותר נסע ב 160 ± 642 מיקרומטר. מצד שני, LF אופקי נסע על 48 ± 21.2 מיקרומטר עם כל שבץ במהירות של 67.3 מיקרומטר / s, בעוד biorobot אופקי HF היה במהירות של 84.4 מיקרומטר / s ומכוסה מרחק של 61.5 ± 17.7 מיקרומטר לשבץ . <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/55643/55643fig1.jpg" /> איור 1: אקטיבטור ביולוגי וביורובוט. ( א ) סכמטי של actuator ביולוגי seeded עם גיליון תאים confluent במצב רגוע התכווץ (פאנל העליון) ואת צילום מסך של המכשיר בתרבות (הפאנל התחתון). כפי שמוצג בתרשים, המפעיל הביולוגי מורכב דקילים, פונקציונלי PDMS קונזליבר (25 מיקרומטר עבה) seeded עם סדין cardiomyocytes. Actuator זה יוצר את הליבה של biorobot שחייה, גם כפי שמוצג. ( B &lt;/ Strong&gt;) סכמטי של זרוע אחת biorobot seeded עם גיליון תאים confluent (הלוח העליון) ואת צילום מסך של המכשיר בתרבות (הפאנל התחתון). <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55643/55643fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a> <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/55643/55643fig2.jpg" /> איור 2: ניתוח ביומכני של Cardiomyocytes. ( א ) כוח התכווצות דינמי כוח משיכה תא סטטי גדל עם cardiomyocytes התבגר; גודל המדגם = 6 עבור כל פרמטר. המתח הדינמי והסטטי שהביע התאים גדל עם הזמן, כאשר התאים התבגרו והתפתחו בתרבות. כוח סטטי מרבי של 50 mN / m וכוח התכווצות דינמי של 165 mN / m נצפו ביום 6. ( ב ) כימות של עוצמת הקרינה עבור סמנים חלבון טרופונין לבאני, קונקסינים 43, ו actin; גודל המדגם = 4 עבור כל פרמטר. האות הקרינה עבור כל שלושת הסמנים גדל בכל התרבות, דבר המצביע על עלייה בביטוי של חלבונים פונקציונליים אלה לאורך זמן בתרבות. ברים שגיאה ב (א) ו (ב) מייצגים את סטיית תקן עבור כל פרמטר לכמת. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55643/55643fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a> <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/55643/55643fig3.jpg" /> איור 3: כימות של ROC: רדיוס של עקמומיות (ROC) חישובים באמצעות ניתוח תמונה מותאמת אישית סקריפט. ROC נמצא במהלך התכווצות מודגם בדמות. נקודות מרובות נבחרות באופן ידני לאורך שלוחה, כפי שמוצג כמו ירוק קטן &quot;X.&quot; פעם נכנסו לחישוב, מעגל המתאים ביותר הוא צייר עבור נקודות בתנאי, כמוצגידי המעגל הירוק העובר דרך שלוחה. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55643/55643fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a> <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/55643/55643fig4.jpg" /> איור 4: השוואה בין מהירות השחייה הממוצעת, פעימות התדר ומרחק המרחק / שבץ עבור 3 ביורובוטים עם פרופילי שחייה שונים: אופקי תדר נמוך (אופקי LF), אופקי תדר גבוה (אופקי HF) ואנכי. המדידות מנורמל לערך של LF אופקי. סרגלי השגיאה מייצגים את סטיית התקן היחסית עבור כל פרמטר שממוספר. ה- LF האופקי ו- HF היו בעלי זרוע שלוחה עם זווית מנוחה לאורך הציר האופקי והוצגו תדרים של 1.09 ± 0.134 הרץ ו -1.59 ± 0.417 הרץ ושחיות מהירות של 67.3 מיקרומטר לשניה ו -84.4 מיקרומטר לשנייהבאופן אינטנסיבי. ביורובוט אנכי הציג תדר פעימות של 0.862 ± 0.075 הרץ ואת מהירות השחייה הממוצע של 142 מיקרומטר / s. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55643/55643fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Cardiac Muscle Cell-based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - Part 2 at JoVE.com

Cardiac Muscle Cell-based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - Part 2

במחקר זה, actuator ביולוגי עצמית התייצבות, biorobot שחייה עם זרועות פונקציונליות אלסטומרי פונקציונלי מזרקים עם cardiomyocytes, מתורבת, ומאופיינת המאפיינים הביוכימיים והביומכניים שלהם לאורך זמן.

שריר הלב מבוססי תא מפעיל ומייצב עצמי ביורובוט - חלק 2

In recent years, hybrid devices that consist of a living cell or tissue component integrated with a synthetic mechanical backbone have been developed. ...

cardiac-muscle-cell-based-actuator-self-stabilizing-biorobot-part

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.7K Views.  University of Notre Dame.  במחקר זה, actuator ביולוגי עצמית התייצבות, biorobot שחייה עם זרועות פונקציונליות אלסטומרי פונקציונלי מזרקים עם cardiomyocytes, מתורבת, ומאופיינת המאפיינים הביוכימיים והביומכניים שלהם לאורך זמן. 

Video: Cardiac Muscle Cell-based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - Part 2

An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine interface to assess the robustness of different control-laws applied to a closed-loop image stabilization task. Taking advantage of the well-characterized fly visuomotor pathway we record the electrical activity from an identified, motion-sensitive neuron, H1, to control the yaw rotation of a two-wheeled robot. The robot is equipped with 2 high-speed video cameras providing visual motion input to a fly placed in front of 2 CRT computer monitors. The activity of the H1 neuron indicates the direction and relative speed of the robot's rotation. The neural activity is filtered and fed back into the steering system of the robot by means of proportional and proportional/adaptive control. Our goal is to test and optimize the performance of various control laws under closed-loop conditions for a broader application also in other brain machine interfaces.

We use a closed-loop fly-machine interface to investigate general principles in neuronal control.

פלטפורמה ניסויית לחקר ביצועים לולאה סגורה של המוח מכונת ממשקים

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine ...

Neuroscience

Fabrication of Myogenic Engineered Tissue Constructs

Despite the fact that electronic pacemakers are life-saving medical devices, their long-term performance in pediatric patients can be problematic owing to the restrictions imposed by a child's small size and their inevitable growth. Consequently, there is a genuine need for innovative therapies designed specifically for pediatric patients with cardiac rhythm disorders. We propose that a conductive biological alternative consisting of a collagen-based matrix containing autologously-derived cells could better adapt to growth, reduce the need for recurrent surgeries, and greatly improve the quality of life for these patients. In the present study, we describe a procedure for incorporating primary skeletal myoblast cell cultures within a hydrogel matrix to fashion a surgically-implantable tissue construct that will serve as an electrical conduit between the upper and lower chambers of the heart. Ultimately, we anticipate using this type of engineered tissue to restore atrioventricular electrical conduction in children with complete heart block. In view of that, we isolate myoblasts from the skeletal muscles of neonatal Lewis rats and plate them onto laminin-coated tissue culture dishes using a modified version of established protocols[2, 3]. After one to two days, cultured cells are collected and mixed with antibiotics, type 1 collagen, Matrigel&trade;, and NaHCO3. The result is a viscous, uniform solution that can be cast into a mold of nearly any shape and size[1, 4, 5]. For our tissue constructs, we employ type 1 collagen isolated from fetal lamb skin using standard procedures[6]. Once the tissue has solidified at 37&deg;C, culture media is carefully added to the plate until the construct is submerged. The engineered tissue is then allowed to further condense through dehydration for 2 more days, at which point it is ready for in vitro assessment or surgical-implantation.

Here, we demonstrate fabrication of collagen-based, tissue constructs containing skeletal myoblasts. These 3-D engineered constructs may be used to replace or repair tissues in vivo. For our purposes, we have designed these as an atrioventricular electrical conduit for the repair of complete heart block[1].

המצאה של Myogenic בונה רקמות מהונדסות

Despite the fact that electronic pacemakers are life-saving medical devices, their long-term performance in pediatric patients can be problematic owing to ...

Biology

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in unstructured environments. At the same time, new procedures and techniques have been developed to reduce the invasiveness of surgical operations. Minimally Invasive Surgery (MIS) has been successfully employed for abdominal interventions, however standard MIS procedures are mainly based on rigid or semi-rigid tools that limit the dexterity of the clinician. This paper presents a soft and high dexterous manipulator for MIS. The manipulator was inspired by the biological capabilities of the octopus arm, and is designed with a modular approach. Each module presents the same functional characteristics, thus achieving high dexterity and versatility when more modules are integrated. The paper details the design, fabrication process and the materials necessary for the development of a single unit, which is fabricated by casting silicone inside specific molds. The result consists in an elastomeric cylinder including three flexible pneumatic actuators that enable elongation and omni-directional bending of the unit. An external braided sheath improves the motion of the module. In the center of each module a granular jamming-based mechanism varies the stiffness of the structure during the tasks. Tests demonstrate that the module is able to bend up to 120&#176; and to elongate up to 66% of the initial length. The module generates a maximum force of 47 N, and its stiffness can increase up to 36%.

This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported.

עיצוב וייצור של יחידת אלסטומרי לרובוטים מודולרי רך בכירורגיה פולשנית

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, compliant and biomimetic nature of this deformation, actuators made of the laminate have received increasing interest in soft robotics and (bio)medical applications. However, methods to easily fabricate the active material in large (even industrial) quantities and with a high batch-to-batch and within-batch repeatability are needed to transfer the knowledge from laboratory to industry. This protocol describes a simple, industrially scalable and reproducible method for the fabrication of ionic carbon-based electromechanically active capacitive laminates and the preparation of actuators made thereof. The inclusion of a passive and chemically inert (insoluble) middle layer (e.g., a textile-reinforced polymer network or microporous Teflon) distinguishes the method from others. The protocol is divided into five steps: membrane preparation, electrode preparation, current collector attachment, cutting and shaping, and actuation. Following the protocol results in an active material that can, for example, compliantly grasp and hold a randomly shaped object as demonstrated in the article.

This article describes a fast and simple manufacturing process of ionic electromechanically active composite materials for actuators in biomedical, biomimetic and soft robotics applications. The key fabrication steps, their importance for the actuators&#39; final properties, and some of the main characterization techniques are described in detail.

הייצור של מפעיל פחמן מבוססי Electromechanically Active מפעילים רכים

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

Engineering

Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living components. Due to their inherent advantages, biorobots are gaining interest as alternatives to traditional fully artificial robots. Various studies have focused on harnessing the power of biological actuators, but only recently studies have quantitatively characterized the performance of biorobots and studied their geometry to enhance functionality and efficiency. Here, we demonstrate the development of a self-stabilizing swimming biorobot that can maintain its pitch, depth, and roll without external intervention. The design and fabrication of the PDMS scaffold for the biological actuator and biorobot followed by the functionalization with fibronectin is described in this first part. In the second part of this two-part article, we detail the incorporation of cardiomyocytes and characterize the biological actuator and biorobot function. Both incorporate a base and tail (cantilever) which produce fin-based propulsion. The tail is constructed with soft lithography techniques using PDMS and laser engraving. After incorporating the tail with the device base, it is functionalized with a cell adhesive protein and seeded confluently with cardiomyocytes. The base of the biological actuator consists of a solid PDMS block with a central glass bead (acts as a weight). The base of the biorobot consists of two composite PDMS materials, Ni-PDMS and microballoon-PDMS (MB-PDMS). The nickel powder (in Ni-PDMS) allows magnetic control of the biorobot during cells seeding and stability during locomotion. Microballoons (in MB-PDMS) decrease the density of MB-PDMS, and enable the biorobot to float and swim steadily. The use of these two materials with different mass densities, enabled precise control over the weight distribution to ensure a positive restoration force at any angle of the biorobot. This technique produces a magnetically controlled self-stabilizing swimming biorobot.

In this two-part study, a biological actuator was developed using highly flexible polydimethylsiloxane (PDMS) cantilevers and living muscle cells (cardiomyocytes), and characterized. The biological actuator was incorporated with a base made of modified PDMS materials to build a self-stabilizing, swimming biorobot.

תא שריר לב מבוסס מפעיל ומייצב עצמי ביורובוט - חלק 1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living ...

מהפכה בשיקום שבץ מוחי עם אחיזה משופרת ושחזור אצבעות

A Flexible Wearable Supernumerary Robotic Limb for Chronic Stroke Patients

In this study, we present a flexible wearable supernumerary robotic limb that helps chronic stroke patients with finger rehabilitation and grasping movements. The design of this innovative limb draws inspiration from bending pneumatic muscles and the unique characteristics of an elephant's trunk tip. It places a strong emphasis on crucial factors such as lightweight construction, safety, compliance, waterproofing, and achieving a high output-to-weight/pressure ratio. The proposed structure enables the robotic limb to perform both envelope and fingertip grasping. Human-robot interaction is facilitated through a flexible bending sensor, detecting the wearer's finger movements and connecting them to motion control via a threshold segmentation method. Additionally, the system is portable for versatile daily use. To validate the effectiveness of this innovation, real-world experiments involving six chronic stroke patients and three healthy volunteers were conducted. The feedback received through questionnaires indicates that the designed mechanism holds immense promise in assisting chronic stroke patients with their daily grasping activities, potentially improving their quality of life and rehabilitation outcomes.

מחבר זרקור: שיפור יכולות אחיזה עבור חולים המיפלגיים עם גפיים רובוטיות גמישות 

This protocol introduces a flexible wearable supernumerary robotic limb tailored to assist in finger rehabilitation for stroke patients. The design incorporates a bending sensor to facilitate seamless human-robot interaction. Validation through experiments involving both healthy volunteers and stroke patients underscores the efficacy and dependability of the proposed study.

איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש ולביש לחולי שבץ כרוני

In this study, we present a flexible wearable supernumerary robotic limb that helps chronic stroke patients with finger rehabilitation and grasping ...

Simultaneous Electrical and Mechanical Stimulation to Enhance Cells' Cardiomyogenic Potential

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries. Consequently, the demand for effective cardiac cell therapies has motivated researchers in the stem cell and bioengineering fields to develop in vitro high-fidelity human myocardium for both basic research and clinical applications. However, the immature phenotype of cardiac cells is a limitation on obtaining tissues that functionally mimic the adult myocardium, which is mainly characterized by mechanical and electrical signals. Thus, the purpose of this protocol is to prepare and mature the target cell population through electromechanical stimulation, recapitulating physiological parameters. Cardiac tissue engineering is evolving toward more biological approaches, and strategies based on biophysical stimuli, thus, are gaining momentum. The device developed for this purpose is unique and allows individual or simultaneous electrical and mechanical stimulation, carefully characterized and validated. In addition, although the methodology has been optimized for this stimulator and a specific cell population, it can easily be adapted to other devices and cell lines. The results here offer evidence of the increased cardiac commitment of the cell population after electromechanical stimulation. Electromechanically stimulated cells show an increased expression of main cardiac markers, including early, structural, and calcium-regulating genes. This cell conditioning could be useful for further regenerative cell therapy, disease modeling, and high-throughput drug screening.

Here we present a protocol for training a cell population using electrical and mechanical stimuli emulating cardiac physiology. This electromechanical stimulation enhances the cardiomyogenic potential of the treated cells and is a promising strategy for further cell therapy, disease modeling, and drug screening.

גירויים חשמליים ומכניים בו זמנית כדי לשפר את פוטנציאל Cardiomyogenic של תאים

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries. Consequently, the demand for effective cardiac cell therapies has motivated ...

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics paradigm, especially in biomedical research. Recreating artificial life-like actuation dynamics is crucial for a soft-robotic system. However, the precise control and tuning of actuation behavior still represents one of the main challenges of modern soft robotic systems. This method describes a low-cost, highly scalable, and easy-to-use procedure to fabricate an electrically controllable soft robot with life-like movements that is activated and controlled by the contraction of cardiac muscle tissue on a micropatterned sting ray-like hydrogel scaffold. The use of soft photolithography methods makes it possible to successfully integrate multiple components in the soft robotic system, including micropatterned hydrogel-based scaffolds with carbon nanotubes (CNTs) embedded gelatin methacryloyl (CNT-GelMA), poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), flexible gold (Au) microelectrodes, and cardiac muscle tissue. In particular, the hydrogels alignment and micropattern are designed to mimic the muscle and cartilage structure of the sting ray. The electrically conductive CNT-GelMA hydrogel acts as a cell scaffold that improves the maturation and contraction behavior of cardiomyocytes, while the mechanically robust PEGDA hydrogel provides structural cartilage-like support to the whole soft robot. To overcome the hard and brittle nature of metal-based microelectrodes, we designed a serpentine pattern that has high flexibility and can avoid hampering the beating dynamics of cardiomyocytes. The incorporated flexible Au microelectrodes provide electrical stimulation across the soft robot, making it easier to control the contraction behavior of cardiac tissue.

A bioinspired scaffold is fabricated by a soft photolithography technique using mechanically robust and electrically conductive hydrogels. The micropatterned hydrogels provide directional cardiomyocyte cell alignment, resulting in a tailored direction of actuation. Flexible microelectrodes are also integrated into the scaffold to bring electrical controllability for a self-actuating cardiac tissue.

ביוהשראת רובוט רך עם מיקרואלקטרודות משולבות

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

שריר הלב מבוססי תא מפעיל ומייצב עצמי ביורובוט - חלק 2

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

פלטפורמה ניסויית לחקר ביצועים לולאה סגורה של המוח מכונת ממשקים

המצאה של Myogenic בונה רקמות מהונדסות

עיצוב וייצור של יחידת אלסטומרי לרובוטים מודולרי רך בכירורגיה פולשנית

הייצור של מפעיל פחמן מבוססי Electromechanically Active מפעילים רכים

תא שריר לב מבוסס מפעיל ומייצב עצמי ביורובוט - חלק 1

איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש ולביש לחולי שבץ כרוני

איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש ולביש לחולי שבץ כרוני

איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש ולביש לחולי שבץ כרוני

גירויים חשמליים ומכניים בו זמנית כדי לשפר את פוטנציאל Cardiomyogenic של תאים

ביוהשראת רובוט רך עם מיקרואלקטרודות משולבות