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。
