muscular thin films for building actuators and powering devices -science hu_2007_317feinberg

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1、MuscularThinFilmsforBuildingActuatorsandPoweringDevices用来制作驱动器和驱动设备的肌肉薄膜我们论证了使用工程和合成聚合物薄膜的杂交材料的装配。这种结构是通过在聚二甲硅氧烷薄膜上培养新生的老鼠心肌细胞而构建的，这种薄膜通过与细胞外基质蛋白质微匹配产生空间的、二维的肌生成。这种结构，又叫肌肉薄膜，当从热敏的聚合物剥离下来的时候采用功能的、三维的结构，并且设计成能通过改变组织结构、薄膜形状和电气节奏来执行仿生功能。这些厘米级别的具有良好的空间的和临时控制并且能够产生特定力（4毫牛/平方毫米）的结构执行各种各样的功能，比如握紧、脉动、步行和游泳

2、等功能。肌肉细胞是通过肌动蛋白驱动的，在激发收缩（EC）耦合的在空间和时间相协调的微尺度线性驱动器。结构-功能关系在空间尺度的多个顺序，凭借分层的结构，得以保全（conserved）。这些结构通过胚胎发生结构程序获得，这个程序负责连接一些列的过程，包括从sarcomeregenesis到支撑肌肉功能的生物化学和电子网络的集成。肌肉驱动在很大频率范围（0~100HZ）、空间尺度（5mm~>=1m）和力（~5mN~>=1kN）。人工肌肉能够满足生物肌肉的特定的暂时的、空间的或者力的特征，但是并不能完全复制这些能力，也不能使用一样的高密度能源。因此，工程肌肉有一个有吸引力的方法来建立驱动器和驱动

3、从微型到巨型的设备。使用工程组织的设备设计面临与治疗心脏组织工程学一样的技术挑战，其中难度最大的是三维形态耦合方案。基于心肌细胞的组织工程心肌被植入凝胶剂中，这种凝胶剂是通过凝胶片卷起来的，或者是从表面剥离下来的，已经展现了制作驱动器、组织移植和驱动微设备的潜力。这种技术的使用受到设备的形状的限制，但是最近的软光刻技术提供了心的技术来复制细胞和组织的在体外的微环境，预示着一个得到使用二维设备获得三维功能的替代方案。我们推断，为了模仿肌束的功能，一个二维的在一个独立的、灵活的薄膜上的工程化肌肉组织在收缩过程中可能会有三个自由度。我们通过在聚二甲硅氧烷（PDMS）弹性薄膜、肌肉薄膜（MTFs）

4、（这种肌肉薄膜在肌发生过程中保持平面，然后被塑造成三维）上培养新生的老鼠的心室的心肌细胞建立二维的非向异性心肌组织。在同时收缩阶段缩短心肌细胞引起了PDMS薄膜在心脏收缩阶段弯曲并且在舒张过程中回到它的初始形状。基于功过二维平面塑造复杂三维够早的能力，我们推广其固有的心肌细胞的收缩来创造一系列的概念验证三维模型和机器人设备。我们在纤连蛋白（FN）或者微接触印刷（uCP）表面植入分离的心室心肌细胞设计了三种二维心肌组织：各向同性的（图1，A到C）、二维各向异性的（图1，D到F）和一批离散的肌纤维（图1，G到I）。每个组织类型都因为肌节队列（也就是收缩性方向）和电动机械耦合（图S1）的显著差异

5、而有各自的特点。各向同性的二维心肌层没有细胞体（图1A）或者肌节（图1C）的网状队列。各向异性的二维心肌层有细胞体（图1D）和肌节（图1F）的单轴队列，这东西是通过高密度和低密度的基于之前描述的方法的FN队列交替的uCP制造的。相似地，离散肌肉纤维阵列是通过使用FN线和细胞体（图1G）与肌节（图1I）的单轴队列的uCP制作的。然而，纤维间的电隔离阻止了一个纤维引发整个MTF收缩（图S1）自发收缩。对于两种各向异性的组织来说，FN队列被用来作为心肌细胞细胞间和细胞内组织的几何学的开端图1聚合薄膜通过旋转涂布一个热敏的聚乙烯（N-Isopropylacrylamide）（PIPAAm）的在玻璃

6、盖片上的牺牲层制作而成，然后在PIPAAm（图S2）上旋转涂布一个PDMS薄膜。PDMS膜的厚度收到PDMS预聚物的粘性的不同和旋转涂布速度（图S3）的控制。一旦处理完毕，心肌细胞就被种植到FN功能化的PDMS/PIPAAm涂抹过的盖片并且在37℃下培养4到6天知道一个二维的心肌层形成。在37℃温度下，PIPAAm在接触水的时候是防水的并且保持固体，这样能保证PDMS停留在盖片上面。当从细菌培养器中取出并且冷却到室温（22℃）时，预期的MTF形状使用解剖刀手动完成。利用水溶热敏PIPAAm层剥离MTF。然后PDMS担当起二维组织的可分开的、生物相容的基片。一旦完全溶解，MTF自发形成一个三

7、维的构造，而这种构造是受到它的膜的属性或者膜是被塑造成更复杂的三维模型控制的。虽然心肌细胞提供了自发的或者步调的收缩特性，PDMS薄膜允许中尺度的功能性雕刻、具有恢复性的弹性和改进的操纵特性。具体来讲，PDMS膜的厚度决定了MTF的弯曲刚度，并且它的结构完整性允许肌层不用破坏二维肌肉组织就能被塑造成为一系列的三维模型。MTF的三维偏差取决于组织队列的相对于PDMS薄膜几何体（图S4和视频S1）的方向。例如，在相似尺寸的矩