Herzmuskelzellbasierter Aktuator und selbststabilisierender Biorobot - TEIL 1

Das übergeordnete Ziel dieses Videos ist es, zu beschreiben, wie ein biologischer Aktuator mit flexiblen PDMS-Cantarlevern in Kardiomyozyten entwickelt und charakterisiert werden kann. Diese Aktuatoren werden dann mit einer modifizierten Basis zu einem selbststabilisierenden schwimmenden Bioroboter eingebaut. Einzigartig ist das hier beschriebene Verifikationsverfahren, bei dem die mechanische Grundstruktur modifiziert wird, um einen selbststabilisierenden schwimmenden Bioroboter zu bilden, dessen Position auch extern mit Magneten bestimmt werden kann.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die Basiseigenschaften leicht verändert werden können, um den Auftrieb des Geräts zu optimieren und sich selbst zu stabilisieren. Die Methode kann angewendet werden, um andere neuartige Geräte zu entwickeln, die Selbststabilisierungen und Flotation erfordern würden. Im Allgemeinen werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da die mechanische Verformung der Ausleger eine Herausforderung darstellt.

Aufgrund ihrer geringen Größe können sie leicht zerrissen oder in ungewöhnlichen Formen stecken bleiben. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Schritte und der Zusammenbau ohne visuelle Hilfe schwer zu erlernen sind. Platzieren Sie zunächst einen Siliziumwafer auf einem Fotolack-Spinner.

Geben Sie einen dünnen Fotolack auf den Wafer und schleudern Sie ihn 20 Sekunden lang bei 2.000 U/min, um eine Zieldicke von 1,2 Mikrometern zu erhalten. Als nächstes überträgst du den beschichteten Wafer mit einer Waferpinzette auf eine auf 120 Grad Celsius vorgeheizte Heizplatte. Die Waffel mit einer flachen Petrischale abdecken und 10 Minuten backen.

Wiegen Sie sechs Gramm einer PDMS-Base ab und kombinieren Sie sie mit 0,6 Gramm eines PDMS-Härtungsmittels. Mischen Sie die PDMS-Komponenten fünf Minuten lang gründlich. Geben Sie das PDMS-Gemisch in eine Vakuumkammer und ziehen Sie ein Vakuum von 100 Millibar für 30 Minuten.

Wenn Sie fertig sind, brechen Sie das Vakuum und entfernen Sie den Behälter. Halten Sie den Behälter abgedeckt, bis das PDMS benötigt wird. Sobald der Wafer abgekühlt ist, setzen Sie ihn wieder auf den Fotolack-Spinner ein.

Gießen Sie langsam das gesamte entgaste PDMS-Gemisch auf den Wafer, so dass keine neuen Blasen entstehen. Anschließend wird der Wafer fünf Minuten lang bei 1.200 U/min geschleudert. Nehmen Sie den Wafer mit einer Waferpinzette aus dem Spin Coater und legen Sie ihn in den vorgeheizten Backofen.

Die Waffel über Nacht backen und dann auf Zimmertemperatur abkühlen lassen. Bereiten Sie als Nächstes einen Lasergravierer vor, um die Dünnschicht-PDMS-Schicht zu strukturieren. Schalten Sie zunächst den Lasergravierer und seine Auspuffanlage ein.

Schalten Sie dann den Computer ein, der mit dem Lasergravierer verbunden ist, und öffnen Sie die Lasergraviersoftware. Öffnen Sie unter Datei die Entwurfsdatei für biologische Aktuatoren. Drücken Sie die Schaltfläche Einstellungen, klicken Sie auf Blau und ändern Sie die Leistungseinstellung auf 3 % und die Geschwindigkeit auf 4 %. Klicken Sie auf Set, klicken Sie auf Rot und ändern Sie den Modus auf Überspringen.

Klicken Sie dann auf Festlegen. Machen Sie das Gleiche für Schwarz. Drücken Sie die Schaltfläche Übernehmen, um die Einstellungen abzuschließen.

Wählen Sie anschließend Engraver aktivieren. Drücken Sie dann auf Verschieben, um das Design in die Mitte des Bildschirms zu verschieben. Drücken Sie anschließend die Schaltfläche Fokusansicht und klicken Sie auf den Rand des Designs, um den führenden Laserpunkt an den entsprechenden Punkt zu verschieben.

Richten Sie den Wafer vorsichtig mit behandschuhten Händen auf den führenden Laserpunkt aus. Wählen Sie nach dem Ausrichten die Option "Gravur des vorherigen Auftrags starten", um den Gravurvorgang zu starten. Um die Basis des biologischen Aktuators herzustellen, wird ein Behälter zum Backen benötigt.

Stellen Sie zunächst diesen Container auf eine Waage und stellen Sie die Waage auf Null. Gießen Sie dann vorgemischtes PDMS und legen Sie in regelmäßigen Abständen gereinigte Glasperlen mit einem Durchmesser von 3 Millimetern auf die PDMS-Mischung. Lassen Sie um jede Perle herum mindestens 5 Millimeter Platz für die Basis des biologischen Aktuators.

Stellen Sie den Behälter in eine Vakuumkammer, reduzieren Sie das Vakuum auf 100 Millibar und schalten Sie die Vakuumpumpe aus. Brechen Sie nach 30 Minuten das Vakuum und entfernen Sie den Behälter. Halten Sie den Behälter abgedeckt, bis er benötigt wird.

Als nächstes erhitzen Sie eine Kochplatte auf 40 Grad Celsius und stellen den Behälter mit PDMS mit den Glasperlen vorsichtig auf die Kochplatte. Decken Sie das Gefäß ab und backen Sie es über Nacht. Schneiden Sie nach dem Abkühlen mit einer Rasierklinge 5 Millimeter große Würfel aus dem Bulk-PDMS aus, so dass jeder Würfel eine Glasperle in der Mitte enthält.

Tauchen Sie dann die Spitze einer Nadel in frisch zubereitetes flüssiges PDMS und geben Sie einen Tropfen des PDMS auf den gravierten Basisbereich des Wafers. Verschmieren Sie das Tröpfchen so, dass es die 5 Millimeter x 5 Millimeter große Grundfläche vollständig bedeckt. Zum Schluss legst du den Würfel mit der Glasperle mit einer Pinzette auf den Grundbereich, der mit flüssigem PDMS bedeckt ist.

Wiederholen Sie diesen Vorgang für jedes Gerät. Wenn Sie fertig sind, stellen Sie die Waffel auf eine 40 Grad Celsius heiße Platte und decken Sie sie ab, um sie über Nacht zu backen. Ziehe den Cantilever mit einer scharfen Pinzette vom Wafer ab und befestige ihn an der Seitenwand der Basis.

Lösen Sie dann vorsichtig die gesamte Baugruppe vom Wafer, indem Sie an der Basis ziehen. Wiederholen Sie zunächst den Herstellungsprozess, der für die biologischen Aktuatoren verwendet wird, durch den Schritt der Lasergravur. Verwenden Sie jedoch für die Herstellung von Biorobotern das Bioroboter-Design während des Laserschneidens.

Bereiten Sie als Nächstes das Mikroballon-PDMS-Gemisch und das Nickelpulver-PDMS-Gemisch vor, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben. Gießen Sie die Lösungen vorsichtig mit einer Waage in separate Behälter. Stellen Sie beide Behälter in eine Vakuumkammer und reduzieren Sie den Druck für 30 Minuten auf 100 Millibar.

Nach der Entgasung stellen Sie die Behälter über Nacht auf eine Herdplatte bei 40 Grad Celsius. Schneiden Sie mit einer Rasierklinge die Bioroboterbasen aus jedem der Polymere mit den Abmessungen der einzelnen Biorobotergrößen, wie hier gezeigt. Legen Sie die Nickel-PDMS-Basis auf eine Metallplatte mit einem Reinraumtuch dazwischen.

Schalten Sie dann den Korona-Entlader ein und bringen Sie die Spitze des Entladers 1 Zentimeter über die Sockel. Bewegen Sie die Spitze 15 Sekunden lang um die Basis, um die Oberfläche zu behandeln. Wiederholen Sie diesen Vorgang, um die Oberfläche der lasergravierten Untergründe für die gleiche Dauer zu behandeln.

Platzieren Sie dann mit einer Pinzette die mit Nickel-PDMS behandelte Seite auf der behandelten Seite der Folie. Lassen Sie das Gerät fünf Minuten lang ruhen, während sich die Teile miteinander verbinden. Als nächstes schälen Sie den Bioroboter-Cantilever mit einer scharfen Pinzette vom Wafer ab und legen ihn auf die Unterseite der Nickel-PDMS-Basis.

Entfernen Sie dann die gesamte Baugruppe vom Wafer. Um das Mikroballon-PDMS an der Baugruppe zu befestigen, legen Sie zunächst einen kleinen Tropfen nicht ausgehärtetes PDMS darauf. Verwenden Sie dann eine Pinzette, um die Seite des Nickel-PDMS mit dem Dünnschicht-PDMS auf den Tropfen des nicht ausgehärteten PDMS zu legen.

Legen Sie die gesamte Baugruppe in eine Petrischale aus Kunststoff und legen Sie diese dann auf eine heiße Platte bei 40 Grad Celsius, um sie über Nacht auszuhärten. Um die Geräte für die Zellaussaat vorzubereiten, geben Sie zunächst 100 Mikroliter einer Fibronektinlösung in die Mitte eines separaten T25-Kulturkolbens für jedes Gerät. Platzieren Sie dann den Bioroboter oder den biologischen Aktuator mit der Vorderseite nach unten über dem Tröpfchen mit Fibronektinlösung.

Stellen Sie sicher, dass der Ausleger entfaltet und in das Tröpfchen eingetaucht ist, und inkubieren Sie den Kolben dann 30 Minuten lang bei 37 Grad Celsius. Entfernen Sie nach der Inkubation die Fibronektinlösung und waschen Sie die Geräte zweimal mit PBS. Entfernen Sie dann das PBS und füllen Sie den Kolben mit 10 Millilitern DMEM, ergänzt mit 10 % FBS und 1 % Penicillin.

Inkubieren Sie das Gerät eine Stunde lang bei 37 Grad Celsius, um das PDMS zu entgasen. Halten Sie dann den Bioroboter mit einem Magneten auf den Boden des Kolbens und legen Sie den Kolben mit den Proben fünf Minuten lang in ein Ultraschallbad, um eventuelle Blasen zu entfernen. Um die richtige Dicke jeder Verbundschicht zu bestimmen, wurden verschiedene Mischungsverhältnisse mit dem Mischungsverhältnis von Nickel und Mikroballons in PDMS getestet.

Die Nickel-PDMS-Schicht ermöglicht die magnetische Steuerung und Stabilität des Roboters. Darüber hinaus ermöglicht die PDMS-Schicht des Mikroballons dem Bioroboter, gleichmäßig zu schweben und zu schwimmen. Durch die Kombination der beiden Schichten entsteht das selbststabilisierende Gerüst des Bioroboters.

Mit Hilfe eines Computerskripts wurde die Stabilität numerisch analysiert und mit dieser zweischichtigen Methode ein starkes Wiederherstellungsmoment nachgewiesen. Es ist wichtig, daran zu denken, den Ausleger während dieses Vorgangs sauber zu halten und das richtige Verhältnis von PDMS-Mischung und Dicke des Auslegers einzuhalten. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie verstehen, wie elastomere Materialien zu einem dünnen Ausleger geformt werden können, um Kardiomyozyten zu stützen, und wie sie modifiziert werden können, um neue Eigenschaften wie Auftrieb oder Magnetismus für erweiterte Funktionalitäten zu erreichen.

Dieses Verifizierungsverfahren kann modifiziert werden, indem andere Techniken wie das Patterning von Alignment-Würfeln integriert werden, um die Zellorientierung zu fördern und die vierte Generation zu erhöhen. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasergravierern äußerst gefährlich sein kann und bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen geeigneter Schutzkleidung und Schutzbrillen getroffen werden sollten.