Miniaturized wireless bioelectronics for electrically driven biohybrid robots

Deze studie presenteert een miniaturiseerde, draadloze bio-elektronische stimulator op een LCP-substraat die in waterige omgevingen stabiel is en menselijke cardiomyocyten aandrijft om een zelfstandig zwemmende biohybride robot te creëren.

De kern

Stel je voor dat je een heel klein, levend robotje wilt bouwen dat kan zwemmen in een bakje met vloeistof, maar zonder dat je het vastknoopt aan een kabeltje of een groot apparaat. Dat is precies wat deze onderzoekers van Toyota hebben gedaan. Ze hebben een miniaturiseerde, draadloze "motor" ontwikkeld die levende hartspiercellen aanstuurt om een robot te laten bewegen.

Hier is de uitleg in simpele taal, met een paar creatieve vergelijkingen:

1. Het probleem: De "kabel-ellende"

Vroeger waren deze levende robots (biohybride robots) lastig te besturen. Om ze te laten bewegen, moest je een dun draadje in de vloeistof steken om elektrische stroom naar de spiercellen te sturen.

• De analogie: Dit is alsof je een vis wilt laten zwemmen, maar je hem vastbindt aan een touw dat uit het water hangt. Dat touw trekt aan de vis, verstoort zijn beweging en maakt het onmogelijk om hem in een afgesloten bakje te laten zwemmen.

2. De oplossing: Een draadloze "hulpje"

De onderzoekers hebben een heel klein elektronisch plaatje gemaakt dat draadloos werkt.

• Hoe het werkt: Ze sturen een onzichtbaar radiogolfje (zoals bij een radio of wifi) naar het robotje. Het robotje heeft een klein "antennetje" (een spoeltje) dat deze golven opvangt en omzet in een klein elektrisch piepje.
• De analogie: Denk aan een draadloze oordop. Je hebt geen kabeltje nodig; de muziek (of in dit geval de stroom) komt via de lucht binnen. Het robotje vangt dit op en gebruikt het om zijn spiertjes aan te zetten.

3. Het robotje zelf: Een vinnen-dans

Het robotje bestaat uit twee delen:

1. De "motor": Een heel dun laagje gelatine met daarop menselijke hartspiercellen (die zijn gemaakt van stamcellen).
2. De "vinnen": Een klein vinnen-achtig stukje dat op het robotje zit.

• De analogie: Stel je een kleine, levende haai voor die een vinnen-achtige staart heeft. Als de hartcellen kloppen, trekt de vinnen zich samen en beweegt hij op en neer. Dit zwiepen duwt het robotje door het water, net zoals een kikker met zijn poten zwemt.

4. De materialen: Licht en stabiel

Het robotje is gemaakt van een speciaal plastic genaamd LCP (Liquid Crystal Polymer).

• Waarom dit? Normaal plastic zuigt water op en wordt zompig en zwaar, net als een spons die je in de badkuip laat liggen. Dit LCP-plastic is echter waterdicht en blijft stevig, alsof het van een waterdichte horlogeband is gemaakt.
• Het gewicht: Het robotje is zo licht (7 milligram!) dat het niet zakt naar de bodem van het bakje, maar drijft in het water. Ze hebben een speciale laag (PDMS) toegevoegd om het gewicht precies in balans te brengen, zodat het net zo zwaar is als het water eromheen. Het zweeft dus vrij rond, zonder vast te plakken aan de wanden.

5. Wat hebben ze bereikt?

• Zwemmen: Het robotje zwemt zelfstandig vooruit met een snelheid van ongeveer 70 micrometer per seconde. Dat lijkt traag, maar voor zo'n klein ding is dat heel snel!
• Besturing: Ze kunnen het robotje van buitenaf aansturen. Als ze een signaal sturen van 1 keer per seconde, klopt het hart en zwiept de vinnen 1 keer per seconde. Als ze 2 keer per seconde sturen, gaat het robotje ook sneller zwiepen.
• Geen schade: De cellen blijven gezond en zitten stevig vast, zelfs na langdurig gebruik. Er is geen kabeltje dat ze beschadigt of verstoort.

Conclusie

Kortom: Deze onderzoekers hebben een miniaturiseerde, draadloze afstandsbediening voor levende robots bedacht. In plaats van een zware kabel, gebruiken ze radiogolven om een klein hartje te laten kloppen, waardoor een robotje vrij kan zwemmen in een bakje. Dit opent de deur voor toekomstige toepassingen, zoals medicijnen die zelfstandig door het lichaam kunnen zwemmen om ziektes te bestrijden, zonder dat er draden of grote machines nodig zijn.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Biohybride robots, die levend spierweefsel integreren met kunstmatige structuren, beloven zachte, adaptieve en zelfherstellende actuatoren. Echter, de praktische toepassing van deze robots in gesloten celkweeksystemen wordt beperkt door de huidige noodzaak van bedrade elektrische stimulatie of omvangrijke optische stimulatieapparatuur.

• Nadeel van bedrading: In de vloeistof geplaatste draden hinderen de vrije beweging van de robot en maken het gebruik in afgesloten vaten complex.
• Materiaalbeperkingen: Bestaande draadloze systemen waren vaak te groot (oppervlak > 250 mm²), hadden een ongunstige dichtheidsmismatch met het kweekmedium (wat drijven/zinken beïnvloedde) en leden aan vervorming door vochtabsorptie van het substraat (bijv. polyurethaan of polyimide).

Methodologie

De auteurs hebben een compact, draadloos bio-elektronisch stimulatiesysteem ontwikkeld en geïntegreerd in een biohybride robot.

1. Ontwerp en Fabricage van de Stimulator:

   • Substraat: Het apparaat is gebouwd op een dunne (50 µm) vloeibare kristalpolymeer (LCP) substraat. LCP werd gekozen vanwege zijn lage hygroscopiciteit (weinig vochtabsorptie) en hoge dimensionale stabiliteit.
   • Componenten: De schakeling integreert een planaire ontvangspoel, een diode-gebaseerde gelijkrichter, een tankcondensator en stimulatie-elektroden.
   • Werking: Het systeem converteert een radiofrequent (RF) signaal van ongeveer 4,9 MHz naar gepulseerde gelijkstroom (DC) via inductieve koppeling.
   • Formaat: Het apparaat heeft een footprint van slechts ~23 mm², een totale dikte van ~100 µm en een massa van ~7 mg.

2. Integratie met Biohybride Actuator:

   • Actuator: Een vinnen-achtige structuur gemaakt van een koolstofnanobuis (CNT)/gelatine hydrogel.
   • Celtype: Het hydrogel is bezaaid met menselijke iPSC-geïnduceerde cardiomyocyten (hartspiercellen).
   • Morfologie: Het oppervlak van het CNT/gelatine-hydrogel is nanogepatroneerd (groeven van 0,8 µm) om de cellen in één richting te laten uitlijnen, wat een gecontroleerde, anisotrope samentrekking mogelijk maakt.
   • Dichtheidsaanpassing: Om de robot vrij in het medium te laten drijven (zonder te zinken of te plakken), is de dikte van de PDMS-inkapseling (polydimethylsiloxaan) geoptimaliseerd. Hierdoor werd de schijnbare dichtheid van de robot afgestemd op die van het kweekmedium (~1000 kg/m³).

3. Stimulatie en Besturing:

   • De robot wordt draadloos aangestuurd via een externe zenderspoel.
   • De pulsparameters (breedte en frequentie) worden extern ingesteld om de hartslag en de beweging van de vin te synchroniseren.

Belangrijkste Bijdragen

• Miniaturisatie: Een drastische verkleining van de bio-elektronische interface (van >250 mm² naar ~23 mm²) met behoud van functionaliteit.
• Materiaalinnovatie: Het gebruik van LCP als substraat lost het probleem van vochtabsorptie en vervorming op, wat essentieel is voor langetermijnculturen.
• Dichtheidsmatching: Een methode om de dichtheid van de robot exact af te stemmen op het kweekmedium door variatie van de PDMS-laag, waardoor stabiel, vrij drijvend gedrag wordt bereikt.
• Volledig draadloze integratie: Een systeem dat elektrische stimulatie biedt zonder enige fysieke verbinding met de vloeistofomgeving, ideaal voor gesloten systemen.

Resultaten

• Elektrische Prestaties: De stimulator genereerde spanningspulsen van 2 tot 6 V, afhankelijk van de afstand tot de zender. De uitgangsspanning was voldoende om spiercellen te activeren (>1 V vereist).
• Beweging en Synchronisatie:
  • De robot bereikte een autonome voorwaartse snelheid van ~70 µm/s.
  • De vin kon betrouwbaar worden gesynchroniseerd met externe pulsen tot een frequentie van 2 Hz.
  • Zonder stimulatie had de vin een spontane slagfrequentie van ~0,7 Hz; deze verschuifde direct naar de ingestelde frequentie (bijv. 1 Hz of 2 Hz) en keerde terug naar de spontane frequentie na het stoppen van de stimulatie.
• Celintegriteit: Na de stimulatie toonde immunofluorescentie aan dat de cellen stevig aan het hydrogel waren gehecht en dat de sarcomere organisatie (spierstructuur) intact bleef. Er was geen sprake van celdetachement of verlies van de uitlijning.

Betekenis en Conclusie

Dit onderzoek vestigt een nieuwe standaard voor gesloten-systeem biohybride robotica. Door een compacte, media-compatibele en draadloze interface te creëren, overwinnen de auteurs de beperkingen van bedrade systemen en grotere, onhandige draadloze prototypes.

• De technologie maakt het mogelijk om complexe, levende robots te besturen zonder de omgeving te verstoren.
• Het systeem is schaalbaar en biedt een robuust platform voor toekomstige toepassingen, zoals multi-actuator systemen of complexere zwemmende robots, waarbij de biologische integriteit en de mechanische stabiliteit hand in hand gaan.