基于心肌细胞的驱动器与自稳定生物机器人——第一部分

本视频的总体目标是介绍如何利用心肌细胞中的柔性PDMS悬臂梁开发并表征一种生物致动器。随后将这些致动器与经过改造的基底结合，构建出自稳定游动生物机器人。本文所述的验证方法具有独特性，其中通过改造机械基底结构，形成可自稳定游动的生物机器人，并可通过外部磁体确定其位置。

该技术的主要优势在于，可以通过改变基底的物理特性来调节装置的浮力并实现自稳定。该方法可应用于开发其他需要自稳定和漂浮性能的新型装置。通常，初次接触该方法的研究人员会遇到困难，因为对悬臂进行机械形变操作具有挑战性。

由于其尺寸较薄，容易撕裂或粘连成不规则形状。该方法的可视化演示至关重要，因为若无视觉辅助，相关步骤和组装过程将难以掌握。首先，将一块硅片放置在光刻胶旋涂仪上。

在晶圆上涂覆一层薄薄的光刻胶，并以 2,000 RPM 的转速旋涂 20 秒，以获得目标厚度为 1.2 微米的涂层。接着，使用晶圆镊子将涂覆好的晶圆转移至预热至 120 摄氏度的加热板上。用浅口培养皿覆盖晶圆，并烘烤 10 分钟。

称取六克PDMS基底材料，并与0.6克PDMS固化剂混合。充分搅拌PDMS组分五分钟。将PDMS混合物放入真空腔室，在100毫巴的真空度下抽气30分钟。

完成后，解除真空并取出容器。在需要使用PDMS之前，保持容器处于覆盖状态。待晶圆冷却后，将其重新放回光刻胶旋转涂布仪上。

将脱气后的 PDMS 混合物缓慢倾倒在整个晶圆上，以避免引入新的气泡。然后以 1,200 RPM 的转速对晶圆进行旋涂，持续五分钟。使用晶圆镊子将晶圆从旋涂仪上取下，并放入预热好的烘箱中。

将晶圆烘烤过夜，然后冷却至室温。接下来，准备激光雕刻机以对薄层PDMS进行图案化。首先打开激光雕刻机及其排风系统。

然后打开连接激光雕刻机的计算机，并启动激光雕刻机软件。在“文件”菜单下，打开生物致动器设计文件。按下“设置”按钮，点击“蓝色”，将功率设置为3%，速度设置为4%。点击“设置”，再点击“红色”，将模式更改为跳过。

然后单击“设置”。对黑色执行相同操作。按“应用”按钮以完成设置。

接下来，选择激活雕刻机。然后按“重新定位”以将设计移至屏幕中央。接着，按下“聚焦视图”按钮，并单击设计的边缘，使引导激光点移动到相应位置。

使用戴着手套的手小心地将晶圆与引导激光点对齐。对齐后，选择“开始雕刻上一个任务”以启动雕刻过程。为了制备生物致动器基底，需要一个用于烘烤的容器。

首先，将该容器放在天平上并归零。然后，倒入预混好的PDMS，并将清洁过的直径为3毫米的玻璃珠以规则间隔放置在PDMS混合物上。每个玻璃珠周围需预留至少5毫米的空间，用于生物致动器基底。

将容器放入真空室，将真空度降低至100毫巴，然后关闭真空泵。30分钟后，解除真空，取出容器。在使用前保持容器加盖。

接下来，将加热板预热至40摄氏度，并小心地将装有PDMS和玻璃珠的容器放置在加热板上。盖上容器，过夜烘烤。待冷却后，使用剃刀从块状PDMS中切割出5毫米的立方体，使每个立方体中心均包含一个玻璃珠。

然后将针尖浸入 freshly prepared 液态 PDMS 中，并在晶圆的刻蚀基底区域滴加一滴 PDMS。涂抹液滴，使其完全覆盖 5 毫米 × 5 毫米的基底区域。最后，用镊子将含有玻璃微珠的立方体放置在已覆盖液态 PDMS 的基底区域上。

对每个器件重复此过程。完成后，将晶圆转移至40摄氏度的热板上，加盖后烘烤过夜。使用一对尖头镊子从晶圆上剥离悬臂，并将其粘附到基座的侧壁上。

然后通过拉动基座，小心地将整个组件从晶圆上分离。首先，重复用于生物驱动器制造的过程，直至激光雕刻步骤。然而，在制造生物机器人时，激光切割过程中应使用生物机器人设计。

接下来，按照随附的文字版实验方案制备微气球PDMS混合物和镍粉PDMS混合物。使用天平将溶液小心倒入不同的容器中。将两个容器放入真空室，将压力降至100毫巴，持续30分钟。

脱气完成后，将容器置于40摄氏度的加热板上过夜。使用剃刀刀片根据每种生物机器人尺寸对应的尺寸，从各聚合物中切割出生物机器人基底，具体尺寸如图所示。将镍掺杂的PDMS基底放置在金属板上，中间垫一层洁净室擦拭纸。

然后打开电晕放电器，将放电尖端置于基底上方1厘米处。将尖端在基底表面移动15秒，以处理该表面。以相同时间重复此过程，处理激光雕刻基底的表面。

然后使用镊子将镍-聚二甲基硅氧烷（PDMS）处理面放置在薄膜的处理面上。让装置静置五分钟，使各部分结合在一起。接着，使用一对尖头镊子将生物机器人悬臂从晶圆上剥离，并将其放置在镍-PDMS基底的底部。

然后将整个组件从晶圆上取下。要将微气球PDMS连接到该组件上，首先在组件顶部放置一小滴未固化的PDMS，然后用镊子将带有薄膜PDMS的镍基PDMS一侧放置在未固化的PDMS液滴上。

将整个组件放入一个塑料培养皿中，然后置于40摄氏度的加热板上，过夜固化。为准备用于细胞接种的装置，首先为每个装置在单独的T25培养瓶中心加入100微升纤连蛋白溶液。然后将生物机器人或生物致动器倒置，使其朝下覆盖在纤连蛋白溶液液滴上。

确保悬臂梁已展开并浸入液滴中，然后将烧瓶在37摄氏度下孵育30分钟。孵育结束后，移除纤连蛋白溶液，并用PBS洗涤装置两次。随后移除PBS，并向烧瓶中加入10毫升DMEM，该培养基需添加10%FBS和1%青霉素。

将装置在 37 摄氏度下孵育一小时，以去除 PDMS 中的气体。然后使用磁铁将生物机器人固定在烧瓶底部，并将装有样品的烧瓶放入超声波清洗仪中处理五分钟，以去除所有气泡。为确定每层复合材料的合适厚度，测试了多种镍和微球在 PDMS 中的不同混合比例。

镍制PDMS层可实现对机器人的磁控性和稳定性。此外，微气球PDMS层使生物机器人能够漂浮并稳定游动。这两层结构的结合形成了生物机器人的自稳定框架。

通过计算机脚本，对该双层结构方法的稳定性进行了数值分析，结果证明其具有较强的恢复力矩。在整个操作过程中，务必保持悬臂梁的清洁，并维持PDMS混合物的正确比例以及悬臂梁的适当厚度。观看本视频后，您应理解如何将弹性体材料加工成用于支持心肌细胞的薄型悬臂梁，以及如何对其进行改性以获得浮力或磁性等新特性，从而实现更高级的功能。

通过结合其他技术（例如图案化对齐立方体）可以修改此验证程序，以促进细胞定向并提高第四代细胞的产量。请注意，使用激光雕刻仪可能具有极高危险性，在执行此操作时，必须采取适当预防措施，例如穿戴合适的防护服和护目镜。