Adhesion modulation In bio-inspired micropatterned adhesives by electrical fields

With steps towards Industry 4.0, it becomes imperative to the development of next-generation industrial assembly lines, to be able to modulate adhesion dynamically for handling complex and diverse substrates. The inspiration for the design and functionality of such adhesive pads comes from gecko’s remarkable ability to traverse rough and smooth topographies with great ease and agility. The emphasis in this thesis was to equip artificial micropatterned adhesives with such functionalities of tunability and devise an on-demand release mechanism. The project evaluates the potential of electric fields in this direction. The first part of this work focusses on integrating electric fields with polymeric micropatterns and studying the synergistic effect of Van der Waals and electrostatic forces. An in-house electroadhesion set up was built to measure the pull-off forces with and without electric fields. As a function of the applied voltage, adhesion forces can be tuned. The second part of the work demonstrates a novel route that exploits the in-plane actuation of the dielectric elastomeric actuators integrated with microstructure to induce peeling in them. Voltage-dependent actuation has been harnessed to generate the requisite peel force to detach the micropatterns. Overall, the findings of this thesis combine disciplines of electroadhesion, electroactuation, and reversible dry adhesives to gain dynamic control over adhesion.Im Einklang mit dem Fortschreiten in Richtung Industrie 4.0, wird es auch für die Entwicklung von industriellen Montagelinien der nächsten Generation unerlässlich sein, die Handhabung komplexer und unterschiedlicher Objekte zu flexibilisieren. Bioinspirierte Haftpads nach dem Vorbild des Gecko könnten zukünftig hierzu wesentlich beitragen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit bestand darin, künstliche mikrostrukturierte Haftpads mit einem elektrisch schaltbaren Adhäsions- und Ablösemechanismus zu funktionalisieren, um die Grundlage für einen schnell schaltbaren, intelligenten Greifer zu schaffen. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Kombination elektrischer Felder mit elastomeren Mikrostrukturen und die Untersuchung der synergistischen Wirkung von Van der Waals- und elektrostatischen Kräften. Zur Messung der Adhäsion wurde ein individueller Aufbau realisiert und mit diesem die Feldstärkeabhängigkeit der Haftkräfte nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit demonstriert einen neuartigen Ablösemechanismus unter Ausnutzung der lateralen Bewegung dielektrischer elastomerer Aktuatoren, um so ein Abschälen der Haftpads vom Substrat zu induzieren. Durch Variation der elektrischen Spannung wurde untersucht, wie sich diese auf die Ablösegeschwindigkeit der Haftpads auswirkt. Insgesamt kombinieren die Ergebnisse dieser Arbeit die Disziplinen Elektroadhäsion, Elektroaktuation und reversible trockene Klebstoffe, um so eine dynamische Kontrolle über die Adhäsion zu erhalten

Simulation and development of paper-based actuators

Soft robots have become an attractive research topic for opening new doors for robots' limitations by being flexible, light, and small and with the ability to have an adaptable shape. An essential component in a soft robot is the soft actuator, which provides the system with a deformable body and allows it to interact with the environment to achieve the desired actuation pattern. Among the various materials used in soft actuators, paper-based actuators have special attention because paper is an abundant, lightweight, and biodegradable material. This work illustrates an insight into the soft actuators field and focuses on developing unique paper-based actuators applying the microwave heat for a liquid-vapor phase transition, in this case, water. This document focuses on the study of different designs, materials, and thick-nesses by changing the paper, elastomer, and double-sided tape.Os robôs flexíveis tornaram-se um tópico de pesquisa atraente por abrirem novas portas para as limitações dos robôs por serem flexíveis, leves e pequenos e com a capacidade de ter uma forma adaptável. Um componente essencial em um robô flexível é o atuador flexível, que fornece ao sistema um corpo deformável e permite que este interaja com o ambiente para atingir o movi-mento desejado. Dos vários materiais usados em atuadores flexíveis, os atuadores baseados em papel têm especial atenção porque o papel é um material abundante, leve e biodegradável. Este trabalho ilustra uma visão da área de atuadores flexíveis e foca no desenvolvimento de atuadores únicos baseados em papel , aplicando o calor de microondas para uma transição de fase líquido-vapor, neste caso, água. Este documento mostra o estudo de diferentes designs, ma-teriais e espessuras, alterando o papel, elastómero e fita dupla-face

Advances in Bio-Inspired Robots

This book covers three major topics, specifically Biomimetic Robot Design, Mechanical System Design from Bio-Inspiration, and Bio-Inspired Analysis on A Mechanical System. The Biomimetic Robot Design part introduces research on flexible jumping robots, snake robots, and small flying robots, while the Mechanical System Design from Bio-Inspiration part introduces Bioinspired Divide-and-Conquer Design Methodology, Modular Cable-Driven Human-Like Robotic Arm andWall-Climbing Robot. Finally, in the Bio-Inspired Analysis on A Mechanical System part, research contents on the control strategy of Surgical Assistant Robot, modeling of Underwater Thruster, and optimization of Humanoid Robot are introduced

On the Interaction between 1D Materials and Living Cells

One-dimensional (1D) materials allow for cutting-edge applications in biology, such as single-cell bioelectronics investigations, stimulation of the cellular membrane or the cytosol, cellular capture, tissue regeneration, antibacterial action, traction force investigation, and cellular lysis among others. The extraordinary development of this research field in the last ten years has been promoted by the possibility to engineer new classes of biointerfaces that integrate 1D materials as tools to trigger reconfigurable stimuli/probes at the sub-cellular resolution, mimicking the in vivo protein fibres organization of the extracellular matrix. After a brief overview of the theoretical models relevant for a quantitative description of the 1D material/cell interface, this work offers an unprecedented review of 1D nano- and microscale materials (inorganic, organic, biomolecular) explored so far in this vibrant research field, highlighting their emerging biological applications. The correlation between each 1D material chemistry and the resulting biological response is investigated, allowing to emphasize the advantages and the issues that each class presents. Finally, current challenges and future perspectives are discussed

Individual and collective dynamics of chemotaxing cells

The study of the dynamics of interacting self-propelled entities is a growing area of physics research. This dissertation investigates individual and collective motion of the eukaryote Dictyostelium discoideum, a system amenable to signal manipulation, mathematical modeling, and quantitative analysis. In the wild, Dictyostelium survive adverse conditions through collective behaviors caused by secreting and responding to chemical signals. We explore this collective behavior on size scales ranging from subcellular biochemistry up to dynamics of thousands of communicating cells. To study how individual cells respond to multiple signals, we perform stability analysis on a previously-developed computational model of signal sensing. Polarized cells are linearly stable to perturbations, with a least stable region at about 60 degrees off the polarization axis. This finding is confirmed through simulations of the model response to additional chemical signals. The off-axis sensitivity suggests a mechanism for previously observed zig-zag motion of real cells randomly migrating or chemotaxing in a linear gradient. Moving up in scale, we experimentally investigate the rules of cell motion and interaction in the context of thousands of cells. Migrating Dictyostelium discoideum cells communicate by sensing and secreting directional signals, and we find that this process leads to an initial signal having an increased spatial range of an order of magnitude. While this process steers cells, measurements indicate that intrinsic cell motility remains unaffected. Additionally, migration of individual cells is unaffected by changing cell-surface adhesion energy by nine orders of magnitude, showing that individual motility is a robust process. In contrast, we find that collective dynamics depend on cell-surface adhesion, with greater adhesion causing cells to form smaller collective structures. Overall, this work suggests that the underlying migration ability of individual Dictyostelium cells operates largely independent of environmental conditions. Our gradient-sensing model shows that polarized cells are stable to small perturbations, and our experiments demonstrate that the motility apparatus is robust to considerable changes in cell-surface adhesion or complex signaling fields. However, we find that environmental factors can dramatically affect the collective behavior of cells, emphasizing that the laws governing cell-cell interaction can change migration patterns without altering intrinsic cell motility

Estratégias biomiméticas usando a técnica camada-a-camada para aplicações biomédicas e engenharia de tecidos

The development of a suitable coating or material, which physico-chemical, mechanical or biological properties, that can be tailored according the features of the target tissue, has been gaining increased importance in biomedical and tissue engineering and regenerative medicine (TERM) fields. Biomimetic strategies have contributed significantly for the progress of biomedical field during the last years. This is possible to be achieved at different levels: imitating Nature form or function and mimicking natural processes and systems are the most used biomimetic approaches. In this thesis, Layer-by-Layer (LbL) methodology was used as a hierarchical biomimetic tool to modify surfaces and to produce freestanding membranes based on polyelectrolyte multilayers (PEMs). The possibility to functionalize or engineer biomaterials combined with the ability to incorporate a wide range of building blocks, makes LbL a powerful processing technique in the biomedical field. Synthetic polymers have been used to construct PEMs for biomedical and TERM applications; however, they lack often on adhesive cues for cell attachment and tissue growth. To overcome such issue, biomimetic synthetic polymers have been developed. Elastin-like polypeptides (ELPs) are a class of nature-inspired polymers, nonimmunogenic, genetically encodable and biocompatible. These materials are based on the repetition of short peptides considered to be building blocks in natural elastin and can include specific bioactive sequences, as the tripeptide Arginine-Glycine-Aspartame (RGD) known by promoting cell adhesion. For the first work of this thesis, ELPs were functionalized with azide and alkyne groups to introduce the reactivity required to carry out the 1,3-dipolar cycloaddition under mild biocompatible conditions, with no toxic by-products and in short reaction times. This reaction was done by means of a LbL assembly, driven by covalent interactions instead of being driven by electrostatic interactions, obtaining a bioactive and biomimetic multilayer coating. Moreover, these polymers are characterized by a critical temperature, known as the transition temperature in aqueous solution (Tt), which is related with a conformational reorganization. Thus, below Tt the polymer chains were soluble in water and above Tt they formed nano- and micro-aggregates becoming insoluble in a reversible process, making these coatings stimuli-responsive. In the following chapters, several polysaccharides as chitosan (CHT), alginate (ALG), hyaluronic acid (HA) or chondroitin sulfate (CS) were used to produce freestanding structured membranes through LbL processes, mainly driven by electrostatic interactions. The use of PEMs containing biopolymers are particularly appealing to coat and develop multilayered structures with biochemical functionalities, biocompatibility, and to mimic the interactions observed in native extracellular matrix (ECM). CHI/CS multilayers were used throughout the thesis, revealing some unique properties, when compared with other polysaccharide-based multilayers, such as their elasticity and degradation rate. However, natural origin polymer-based multilayers present low stiffness and higher hydration rates, which hinder cell adhesion. To overcome this, the CHT/CS multilayers were crosslinked with genipin. This is also a natural product, that is extracted from gardenia fruits and presents the ability to improve the mechanical properties, while preserves the biocompatibility and even enhances the cell adhesive properties. The ability to tailor the multilayers properties can be applied during their assembly or postassembly. Upon adjusting cross-linking parameters (e.g., cross-linker concentration and reaction time) the morphology, thickness, water uptake, rate of biodegradation, mechanical properties and cell adhesive properties can be tuned. Studies of shape-memory of these multilayered films, presented promising results regarding their use in biomedical applications. The mechanical properties of the multilayers can be further improved combining covalent and ionic crosslinking, which gives rise to a full interpenetrating polymer network. More interesting, it was possible to create a well-organized patterned topography at the surface of the freestanding multilayered membrane, just by using a different underlying substrate. This strategy envisaged to mimic the topography of the ECM of some tissues, as bone, skin or nerves, creating grooves on the material’s surface at nanoscale. Using this approach, it was possible to control some cellular functions and behavior as alignment and differentiation. Further in this thesis and inspired by the composition of the adhesive proteins in mussels, freestanding multilayered membranes containing dopamine-modified hyaluronic acid (HA-DN) were produced. The presence of DN along with the thickness of the membranes presented better lap-shear adhesion strength than the control membranes (hyaluronic acid and alginate films – two polysaccharides often regarded as good natural adhesives – were assembled together). Moreover, in vitro tests showed an enhanced cell adhesion for the membranes containing HA-DN and ability to use such kind of membranes for different biomedical and TERM applications, particularly for bone regeneration and skin wound healing. Combining different biomimetic concepts, it was also possible to recreate the complex environment of osteoarthritic articular cartilage by preparing human circular discs of superficially damaged articular cartilage from human samples. Herein, the adhesive freestanding multilayered membranes were used as a vehicle to deliver human adipose stem cells (hASCs) to help to repair the damaged cartilage. hASCs temporarily adhered to the adhesive LbL-based membranes, and were transported to the cartilage discs, creating a bridge of cells between the membranes and the surface of the cartilage. The cells started to migrate into the defects of the cartilage, proliferating and secreting factors capable of repairing the cartilage. Overall, the developed work in this thesis shows that LbL is a very versatile technique that provides the means to develop a wide range of solutions to be useful in biomedical and TERM applications.O desenvolvimento de um revestimento ou material cujas propriedades físicoquímica, mecânicas ou biológicas podem ser modificadas de acordo com as propriedades do tecido alvo, tem ganho cada vez mais importância, nomeadamente para fins biomédicos e de engenharia de tecidos e medicina regenerativa. Durante os últimos anos, diferentes estratégias biomiméticas têm contribuído significativamente para o progresso destas áreas. Estas são possíveis de implementar a diferentes níveis: imitar formas e funções existentes na natureza ou mimetizar processos e sistemas naturais. Na presente tese, a técnica camada-a-camada (LbL) foi usada como uma ferramenta biomimética para modificar superfícies ou produzir membranas com base em múltiplas camadas de polieletrólitos. A crescente utilização desta técnica, concretamente na área biomédica, prende-se com a possibilidade de funcionalizar ou produzir biomateriais aliada à capacidade de incorporar uma gama alargada de blocos de construção. Aqui, diferentes polímeros sintéticos e naturais têm sido usados para construir estruturas multicamada; no entanto, a generalidade dos polímeros sintéticos não apresenta naturalmente locais de ligação e adesão celular. Para contornar este obstáculo, algumas modificações químicas aos polímeros sintéticos têm sido sugeridas e novos compostos têm sido desenvolvidos, inspirados na composição de sistemas naturais. Por exemplo, polipéptidos tipo-elastina (ELPs) são uma classe de polímeros inspirados na natureza, que apresentam propriedades não-imunogénicas e biocompatíveis, podendo ser geneticamente programados conforme desejado. A sua composição baseia-se na repetição de pequenos péptidos também presentes na elastina humana, com a possibilidade também de incorporar outras sequências bioativas especificas, como o tripéptido Arginina-GlicinaÁcido Aspártico (RGD), reconhecido por promover a adesão celular. Para esta tese foram produzidos ELPs, que mais tarde foram funcionalizados com grupos azida e alquino para introduzir a reatividade necessária para uma reação 1,3-dipolar de ciclo-adição se realizar em condições biocompatíveis, sem produtos tóxicos resultantes e em curtos tempos de reação. Esta reação foi realizada sob a técnica LbL, mas conduzida por interações covalentes ao invés de electroestáticas, para atuar como revestimento biomédico. Estes polímeros são ainda reconhecidos pela sua temperatura de transição (Tt) em solução aquosa, relacionada com uma reorganização conformacional da cadeia polimérica. Abaixo da Tt as suas cadeias poliméricas são solúveis, mas acima de Tt formam-se micro-agregados; este é um processo reversível que confere propriedades responsivas aos revestimentos. Nos seguintes capítulos, diferentes polissacarídeos como quitosano (CHT), alginato (ALG), sulfato de condroitina (CS) ou ácido hialurónico (HA), foram usados para produzir membranas multicamadas conduzidas maioritariamente via interações electroestáticas. Esta abordagem tem ganho cada vez mais importância para desenvolver materiais com funcionalidade bioquímica, biocompatibilidade e para mimetizar algumas interações observadas na matriz extracelular (ECM). Ao longo desta tese foram usadas membranas multicamada de CHT/CS; estes materiais revelaram algumas propriedades muito particulares, quando comparadas com outros sistemas de multicamada, como a sua elasticidade e taxas de degradação mais rápidas. No entanto, a baixa rigidez e maiores taxas de hidratação, que muitas vezes impedem a adesão celular, surgem frequentemente associados a sistemas multicamada compostos somente por polissacarídeos. Para contornar este obstáculo, as membranas multicamada de CHT/CS foram reticuladas com genipina. De notar que este composto é de origem natural, sendo extraído da fruta da gardénia; a pós-modificação das membranas com genipina resultou na melhoria das propriedades mecânicas e biocompatibilidade, e ainda, no aumentando das propriedades bio-adesivas. Na realidade, a possibilidade de modular as propriedades destes sistemas multicamada por reticulação química pode ser conseguida logo durante a adsorção de cada camada ou no fim do processo. Características dos biomateriais como a morfologia, espessura, taxas de adsorção de água ou biodegradação, propriedades mecânicas e biológicas podem ser moduladas ajustando certos parâmetros de reticulação (por exemplo, agente de reticulação, concentração ou tempo de reação). Para além do mais, estudos de memória de forma destas membranas multicamada mostraram resultados promissores, considerando o seu uso para fins biomédicos. As propriedades mecânicas destes sistemas foram melhoradas combinando as ligações electroestáticas já existentes com ligações covalentes conferidas pela reticulação química, dando origem a uma rede polimérica multicamada, mas interpenetrada. Na continuação deste trabalho foi possível criar uma topografia com padrão bem organizado na superfície das membranas, alterando somente o material onde efetuamos a deposição das multicamadas. Esta estratégia visou mimetizar a topografia da ECM de diferentes tecidos, como o osso, a pele ou os nervos, criando canais alinhados na superfície do material. Usando este tipo de materiais multicamada padronizados foi possível modular funções e comportamentos celulares como o alinhamento ou a diferenciação. Em seguida, inspirados pela composição das proteínas que conferem adesividade aos mexilhões, foram produzidas membranas multicamada contendo HA modificado com dopamina (DN). A presença de DN ao longo da espessura das membranas multicamada parece ter contribuído para uma melhor e maior força de adesão, quando comparadas com as membranas controlo (membranas multicamada CHT/HA e CHT/ALG). Para além do mais, os testes in vitro resultaram em uma significante melhoria da adesão celular às membranas contendo DN. Esta estratégia mostrou ser promissora para diferentes aplicações biomédicas e de engenharia de tecidos, particularmente para a regeneração de tecido ósseo e a cicatrização de feridas da pele. Combinando diferentes estratégias e conceitos biomiméticos, foi também possível recriar um sistema complexo associado à cartilagem articular e concretamente a doenças como a osteoartrite. Assim sendo, na última parte desta tese, estas membranas multicamada com propriedades adesivas foram utilizadas como veículo para transportar células estaminais humanas do tecido adiposo (hASCs) para o local onde a cartilagem se encontra danificada. A presença deste tipo de células tem sido utilizada como tratamento para cartilagem danificada. Aqui, hASCs aderiram temporariamente às membranas multicamada, e foram assim transportadas diretamente para discos de cartilagem humana danificada, permitindo a criação de uma ponte celular entre as membranas e a superfície da cartilagem. Desta forma, estas células começaram a proliferar na superfície da cartilagem começando a migrar para os defeitos (em profundidade), segregando fatores capazes de ajudar na reparação da cartilagem. No geral, o trabalho desenvolvido para a presente tese mostra a grande versatilidade da técnica LbL, que proporciona os meios necessários para desenvolver uma gama alargada de materiais, estratégias e soluções muito necessárias e promissoras para aplicações biomédicas e de engenharia de tecidos e medicina regenerativa.Programa Doutoral em Químic