用于电驱动生物混合机器人的微型化无线生物电子学

《Scientific Reports》：Miniaturized wireless bioelectronics for electrically driven biohybrid robots

　　

摘要

尽管生物混合机器人能够利用活体肌肉实现柔软且可适应的驱动功能，但在细胞培养环境中的实际应用往往受到需要浸入式导线或复杂刺激设备的限制。在此，我们展示了一种轻薄、微型化的无线生物电子刺激器，它能够在水基细胞培养介质中保持稳定性的同时，为生物混合机器人提供电能驱动。该装置基于50微米的液晶聚合物基底构建，集成了平面接收线圈、互连电路、二极管整流器以及电容。这使得装置能够将大约4.9兆赫的射频信号转换为脉冲直流电，再通过内置的刺激电极输送出去。该刺激器的尺寸约为32平方毫米，总厚度和重量分别约为100微米和7毫克。我们将该刺激器与经过纳米图案处理的碳纳米管/明胶水凝胶鳍片结合在一起，这些鳍片上还植入了由人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞，从而通过鳍片的摆动实现推进功能。通过优化聚二甲基硅氧烷封装层的厚度，可以调节装置的密度，从而使机器人在运行过程中保持自由悬浮状态并维持形状完整。这样一来，机器人就能够以74.8±16.4微米/秒的速度自主向前移动。该刺激器能够产生与距离相关的输出电压脉冲，在测试条件下还可实现外部调控，而且不会导致心肌细胞的附着能力或α-肌动蛋白阳性肌节结构的显著下降。综上所述，这些结果为封闭系统生物混合机器人技术提供了一种概念验证式的、兼容培养介质的无线生物电子接口。