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驱动器。随后将这些驱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，即通过改造机械基底结构，形成一种能够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，可通过改变基底性质来调节装置的浮力并实现自稳定。该方法可用于开发其他需要自稳定和漂浮功能的新型装置。通常，初次接触该方法的研究人员会遇到困难，因为对悬臂梁进行机械变形具有挑战性。

由于其尺寸较薄，容易撕裂或粘连成不规则形状。该方法的视觉演示至关重要，因为若无视觉辅助，相关步骤与组装过程难以掌握。首先，将硅片放置在光刻胶旋转涂布仪上。

在晶圆上涂覆一层薄薄的光刻胶，并以 2,000 RPM 转速旋涂 20 秒，以获得 1.2 微米的目标厚度。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。用浅底培养皿覆盖晶圆，并烘烤 10 分钟。

称取六克PDMS基础剂，与0.6克PDMS固化剂混合。将PDMS组分充分搅拌五分钟。将PDMS混合物放入真空腔，抽真空至100毫巴并维持30分钟。

完成后，解除真空，取出容器。在需要使用PDMS之前，保持容器加盖。待晶圆冷却后，将其重新放回光刻胶旋涂仪上。

将脱气后的PDMS混合物缓慢倾倒在整个晶圆上，避免引入新的气泡。然后以1,200 RPM的转速旋涂晶圆5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，准备激光刻蚀仪以对薄层PDMS进行图案化。首先打开激光刻蚀仪及其排风系统。

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毫米的玻璃珠以一定间隔放置在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，将加热板升温至40摄氏度，小心地将装有PDMS和玻璃珠的容器置于加热板上。盖上容器，过夜烘烤。冷却后，使用刀片从块状PDMS中切割出边长为5毫米的立方体，使每个立方体中心包含一颗玻璃珠。

用针尖蘸取新制备的液态聚二甲基硅氧烷，在晶圆刻蚀的基底区域滴加一滴。涂抹液滴使其完全覆盖5毫米×5毫米的基底区域。最后，用镊子将含有玻璃珠的立方体放置于已覆盖液态聚二甲基硅氧烷的基底区域上。

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。使用一对尖头镊子将悬臂从晶圆上剥离，并将其粘附至基座的侧壁上。

然后通过拉拽基座，小心地将整个组件从晶圆上剥离。首先，重复生物致动器的制备流程，直至激光雕刻步骤；但在制备生物机器人时，在激光切割步骤中应采用生物机器人设计。

接下来，按照随附的文字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，如图所示。将镍-PDMS基底放置在金属板上，中间垫一张洁净室纸巾。

然后打开电晕放电器，将放电尖端置于基底上方1厘米处。在基底表面移动尖端，持续处理15秒。以相同时间重复此过程，对激光雕刻的基底表面进行处理。

然后使用镊子将镍-聚二甲基硅氧烷（PDMS）的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。为了将微气球PDMS连接到该组件上，首先在组件顶部放置一滴未固化的PDMS。接着用镊子将带有薄膜PDMS的镍基PDMS侧面置于未固化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。为准备细胞接种装置，首先为每个装置取一个独立的T25培养瓶，在其中心加入100微升纤连蛋白溶液。然后将生物机器人或生物驱动器倒置在纤连蛋白溶液液滴上方。

确保悬臂梁完全展开并浸入液滴中，随后将烧瓶在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。然后移除PBS，向烧瓶中加入10毫升DMEM，该培养基补充有10% FBS和1%青霉素。

将装置在 37 摄氏度下孵育 1 小时，以脱除 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置于超声清洗仪中处理 5 分钟，以去除所有气泡。为确定每层复合材料的合适厚度，测试了多种镍与微米级空心球在 PDMS 中的不同混合比例。

镍制PDMS层可实现对机器人的磁控与稳定。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。

通过计算机脚本对稳定性进行了数值分析，并证明采用这种双层方法具有较强的恢复力矩。在整个操作过程中，必须注意保持悬臂的清洁，并维持PDMS混合物的正确比例以及悬臂的适当厚度。观看本视频后，您应理解弹性体材料如何被加工成支持心肌细胞的薄型悬臂，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。

可通过结合其他技术（如图案化对齐立方体）来修改此验证程序，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的危险性，在执行此操作时，必须采取佩戴适当的防护服和护目镜等安全预防措施。