القلب القائم على خلايا العضلات المحرك و بيوروبوت الاستقرار الذاتي - الجزء 1

الهدف العام من هذا الفيديو هو وصف كيفية تطوير وتوصيف مشغل بيولوجي باستخدام عوارض PDMS مرنة في الخلايا العضلية القلبية. يتم بعد ذلك دمج هذه المشغلات مع قاعدة معدلة لتكوين روبوت حيوي سبّاح ذاتي الاستقرار. وتعد طريقة التحقق الموصوفة هنا فريدة من نوعها، حيث يتم تعديل بنية القاعدة الميكانيكية لتكوين روبوت حيوي سبّاح ذاتي الاستقرار يمكن تحديد موضعه خارجيًا أيضًا باستخدام المغناطيسات.

تكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في إمكانية تغيير خصائص القاعدة بسهولة لضبط قوة طفو الجهاز ولتحقيق الاستقرار الذاتي. ويمكن تطبيق هذه الطريقة لتطوير أجهزة مبتكرة أخرى تتطلب الاستقرار الذاتي والطفو. وبوجه عام، قد يواجه الأشخاص المبتدئون في هذه الطريقة صعوبة لأن تشكيل الروافد الميكانيكي يعد تحدياً.

نظرًا لرقتها الشديدة، يمكن أن تتمزق هذه القطع بسهولة أو تلتصق بأشكال غريبة. ويعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمرًا بالغ الأهمية لأن الخطوات وعملية التجميع يصعب تعلمها دون مساعدة بصرية. للبدء، ضع رقاقة سيليكون على جهاز تدوير المقاوم الضوئي.

أضف طبقة رقيقة من المقاوم الضوئي (photo resist) إلى الرقاقة وقم بطلائها بالدوران بسرعة 2,000 RPM لمدة 20 ثانية للحصول على سمك مستهدف قدره 1.2 micrometers. بعد ذلك، استخدم ملاقط الرقاقات لنقل الرقاقة المطلية إلى لوح تسخين مسخن مسبقاً إلى 120 degrees Celsius. غطِّ الرقاقة بطبق بتري ضحل واخبزها لمدة 10 دقائق.

قم بوزن ستة جرامات من قاعدة PDMS واخلطها مع 0.6 جرام من عامل معالجة PDMS. اخلط مكونات PDMS جيداً لمدة خمس دقائق. ضع خليط PDMS في غرفة تفريغ وقم بسحب تفريغ بقدر 100 millibar لمدة 30 دقيقة.

عند الانتهاء، قم بكسر الفراغ وإزالة الحاوية. حافظ على تغطية الحاوية حتى يحين وقت الحاجة إلى PDMS. وبمجرد أن تبرد الرقاقة، ضعها مرة أخرى على جهاز تدوير مقاومة الضوء.

اسكب مزيج PDMS منزوع الغاز بالكامل ببطء فوق الرقاقة بحيث لا تدخل فقاعات جديدة. ثم قم بطلاء الرقاقة بالدوران بسرعة 1,200 RPM لمدة خمس دقائق. وباستخدام ملاقط الرقاقات، انزع الرقاقة من جهاز الطلاء بالدوران وضعها في فرن مسخن مسبقاً.

قم بخبز الرقاقة طوال الليل ثم بردها حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة. بعد ذلك، قم بتجهيز جهاز النقش بالليزر لتشكيل نمط طبقة الـ PDMS الرقيقة. ابدأ بتشغيل جهاز النقش بالليزر ونظام سحب العوادم الخاص به.

بعد ذلك، قم بتشغيل الكمبيوتر المتصل بنقاش الليزر وافتح برنامج نقاش الليزر. ومن قائمة الملف (File)، افتح ملف تصميم المشغل البيولوجي. اضغط على زر الإعدادات (Settings)، وانقر فوق اللون الأزرق (Blue)، وقم بتغيير إعداد الطاقة إلى 3% والسرعة إلى 4%. انقر فوق تعيين (Set)، ثم انقر فوق اللون الأحمر (Red)، وقم بتغيير الوضع إلى تخطي (Skip).

ثم انقر على Set. كرر العملية نفسها للون الأسود (Black). اضغط على زر Apply لإنهاء الإعدادات.

بعد ذلك، اختر "تفعيل جهاز النقش" (Activate the Engraver). ثم اضغط على "إعادة التمركز" (Relocate) لنقل التصميم إلى منتصف الشاشة. بعد ذلك، اضغط على زر "عرض التركيز" (Focus View) وانقر على حافة التصميم لنقل نقطة ليزر التوجيه إلى النقطة المقابلة.

قم بمحاذاة الرقاقة بدقة مع نقطة الليزر الإرشادية باستخدام يدين مغلفتين بقفازات. وبمجرد إتمام المحاذاة، اختر "Start Engraving the Prior Job" لبدء عملية النقش. ومن أجل تصنيع قاعدة المشغل البيولوجي، يلزم توفير حاوية لعملية الخبز.

أولاً، ضع الحاوية على الميزان وقم بتصفير الميزان. بعد ذلك، صب خليط PDMS المعد مسبقاً وضع خرزات زجاجية نظيفة بقطر 3 millimeter فوق خليط PDMS على فترات زمنية منتظمة. اترك مسافة 5 millimeter على الأقل حول كل خرزة من أجل قاعدة المشغل الحيوي.

ضع الحاوية في غرفة تفريغ، وخفض الضغط إلى 100 millibar ثم أوقف تشغيل مضخة التفريغ. بعد مرور 30 دقيقة، قم بكسر التفريغ وإخراج الحاوية. أبقِ الحاوية مغطاة حتى يحين وقت استخدامها.

بعد ذلك، قم بتسخين لوح تسخين إلى 40 درجة Celsius وضع بعناية حاوية PDMS التي تحتوي على الخرزات الزجاجية على لوح التسخين. غطِ الحاوية واتركها في الفرن طوال الليل. وبمجرد أن تبرد، استخدم شفرة حلاقة لقص مكعبات بحجم 5 مليمتر من كتلة PDMS بحيث يحتوي كل مكعب على خرزة زجاجية واحدة في مركزه.

بعد ذلك، اغمس طرف إبرة في مادة PDMS سائلة تم تحضيرها حديثاً، وضع قطرة من الـ PDMS على منطقة القاعدة المنقوشة من الرقاقة. قم بتوزيع القطرة بحيث تغطي منطقة القاعدة التي تبلغ مساحتها 5 millimeter في 5 millimeter بالكامل. وأخيراً، استخدم ملقطاً لوضع المكعب الذي يحتوي على الخرزة الزجاجية فوق منطقة القاعدة المغطاة بـ PDMS السائل.

كرر هذه العملية لكل جهاز. وبمجرد الانتهاء، انقل الرقاقة إلى لوح تسخين بدرجة حرارة 40 degree Celsius وقم بتغطيتها للخبز طوال الليل. استخدم ملقطاً حاداً لفصل الرافعة من الرقاقة وتثبيتها بالجدار الجانبي للقاعدة.

ثم افصل التجميعة بأكملها بعناية عن الرقاقة عن طريق سحب القاعدة. للبدء، كرر عملية التصنيع المستخدمة في المشغلات البيولوجية وصولاً إلى خطوة النقش بالليزر. ومع ذلك، عند تصنيع الروبوتات الحيوية، استخدم تصميم الروبوت الحيوي أثناء القطع بالليزر.

بعد ذلك، قم بتحضير خليط PDMS بالبالونات الدقيقة وخليط PDMS بمسحوق النيكل كما هو موضح في البروتوكول النصي المرفق. اسكب المحاليل بعناية في حاويات منفصلة باستخدام ميزان. ضع كلتا الحاويتين في غرفة تفريغ وقم بخفض الضغط إلى 100 millibar لمدة 30 دقيقة.

بمجرد إزالة الغازات، ضع الحاويات على لوح تسخين عند 40 درجة مئوية طوال الليل. استخدم شفرة حلاقة لقص قواعد الروبوتات الحيوية من كل أحد البوليمرات بأبعاد تتناسب مع حجم كل روبوت حي كما هو موضح هنا. ضع قاعدة PDMS والنيكل على لوح معدني مع وضع منديل غرفة نظيفة بينهما.

بعد ذلك، قم بتشغيل جهاز تفريغ الكورونا وقرّب طرف جهاز التفريغ بمقدار 1 centimeter فوق القواعد. حرك الطرف حول القاعدة لمدة 15 ثانية لمعالجة السطح. كرر هذه العملية لمعالجة سطح القواعد المنقوشة بالليزر، وللمدة نفسها.

بعد ذلك، استخدم الملاقط لوضع الجانب المعالج بـ nickel PDMS على الجانب المعالج من الغشاء. اترك الجهاز لمدة خمس دقائق حتى تترابط الأجزاء معاً. تالياً، استخدم زوجاً من الملاقط المدببة لفصل عارضة الروبوت الحيوي (biorobot cantilever) عن الرقاقة ووضعها في قاعدة nickel PDMS السفلية.

بعد ذلك، قم بإزالة التجميعة بأكملها من الرقاقة. ولتثبيت PDMS للبالون الدقيق في التجميعة، ضع أولاً قطرة صغيرة من PDMS غير المعالج فوقه. ثم استخدم ملقطاً لوضع جانب nickel PDMS الذي يحتوي على غشاء PDMS الرقيق فوق قطرة PDMS غير المعالج.

ضع المجموعة بأكملها في طبق بتري بلاستيكي، ثم ضعها على لوح تسخين عند 40 درجة Celsius للمعالجة طوال الليل. ولتجهيز الأجهزة لاستزراع الخلايا، ضع أولاً 100 µL من محلول Fibronectin في مركز دورق زراعة T25 منفصل لكل جهاز. ثم ضع الروبوت الحيوي أو المشغل البيولوجي بحيث يكون وجهه لأسفل فوق قطرة محلول Fibronectin.

تأكد من أن العارضة (cantilever) مفرودة ومغمورة داخل القطرة، ثم قم بتحضين الدورق عند 37 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. وبعد التحضين، قم بإزالة محلول الفيبرونكتين (Fibronectin) واغسل الأجهزة مرتين باستخدام PBS. ثم قم بإزالة PBS واملأ الدورق بـ 10 milliliters من DMEM المكمل بـ 10%FBS و 1%penicillin.

يتم تحضين الجهاز عند 37 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة لإزالة الغازات من PDMS. بعد ذلك، استخدم مغناطيساً لتثبيت الروبوت الحيوي في قاع الدورق، ثم ضع الدورق الذي يحتوي على العينات في حمام موجات فوق صوتية لمدة خمس دقائق لإزالة أي فقاعات. ولتحديد السمك المناسب لكل طبقة مركبة، تم اختبار نسب خلط متنوعة من النيكل والبالونات الدقيقة في PDMS.

تسمح طبقة النيكل PDMS بالتحكم المغناطيسي واستقرار الروبوت. بالإضافة إلى ذلك، تُمكّن طبقة PDMS ذات البالونات الدقيقة الروبوت الحيوي من الطفو والسباحة بثبات. ويؤدي الجمع بين هاتين الطبقتين إلى تكوين الإطار ذاتي الاستقرار للروبوت الحيوي.

باستخدام نص برمجي حاسوبي، تم تحليل الاستقرار عددياً وإثبات وجود عزم استعادة قوي باستخدام هذه الطريقة ثنائية الطبقات. ومن المهم تذكر الحفاظ على نظافة العتلة طوال هذا الإجراء، والمحافظة على النسبة الصحيحة لخليط PDMS وسماكة العتلة. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون قد استوعبت كيفية تشكيل المواد المرنة إلى عتلة رقيقة لدعم الخلايا العضلية القلبية وكيفية تعديلها لاكتساب خصائص جديدة مثل الطفو أو المغناطيسية لتحقيق وظائف متقدمة.

يمكن تعديل إجراء التحقق هذا من خلال دمج تقنيات أخرى مثل مكعبات محاذاة الأنماط، وذلك لتعزيز توجيه الخلايا وزيادة الجيل الرابع. لا تنسَ أن العمل باستخدام أجهزة النقش بالليزر يمكن أن يكون خطيراً للغاية، ويجب دائماً اتخاذ الاحتياطات اللازمة مثل ارتداء الملابس الواقية والنظارات المناسبة أثناء تنفيذ هذا الإجراء.