a base de varilla de fabricación de dispositivos robóticos adaptables pinza neumática suaves para la manipulación del tejido delicado
2 de agosto de 2016
Este protocolo describe un enfoque basado en varillas, que combina técnicas de impresión 3D y litografía blanda para fabricar los dispositivos de agarre blando. Este enfoque elimina la necesidad de una fuente de aire externa al incorporar un componente de cámara y reduce la posibilidad de oclusión durante el proceso de sellado, particularmente para canales neumáticos miniaturizados.
El objetivo general de este procedimiento es fabricar dispositivos de agarre blando utilizando un enfoque basado en varillas. Combinado con técnicas de impresión 3D y litografía blanda. Este método puede ayudar a responder a los problemas clave que se enfrentan en la fabricación de pinzas neumáticas blandas, como la oclusión del canal durante el proceso de fraguado y la incorporación de una cámara de aire.
La principal ventaja de esta técnica es que nos permite construir canales neumáticos miniaturizados dentro de las estructuras de agarre blando para garantizar un accionamiento consistente. La implicación de esta técnica se extiende a lo que es la cirugía de anastomosis nerviosa porque la pinza robótica blanda permite la manipulación delicada del nervio sin dañar el agarre excesivo. Tuvimos la idea de este método por primera vez cuando nos enfrentamos a la dificultad de desarrollar una pinza blanda funcional utilizando el proceso convencional de sellado de fundición y comenzamos a experimentar con varillas delgadas en la fase de fundición.
Comience pesando una masa igual de los dos materiales componentes para el elastómero en un recipiente de mezcla. Luego, cubra el contenedor y cárguelo en un mezclador centrífugo junto con una masa de equilibrio. Ahora, ejecute un ciclo de mezcla de 30 segundos con la fase de mezcla a 2000 RPM y la fase de desaireación a 2200 RPM.
Espere que los componentes completamente mezclados ahora se curen uniformemente cuando se moldeen. Tenga en cuenta que el diseño y la producción de los moldes se tratan en el protocolo de texto y la siguiente sección trata de su uso. Este proceso comienza con el moldeo de los componentes del brazo de agarre.
En primer lugar, inserte los dos bloques de cámara impresos en 3D en el lado izquierdo y derecho del componente de la cámara para generar una cámara sellada con canales neumáticos conectados a ella. A continuación, inserte uno o dos alambrones de titanio de 1,5 milímetros de diámetro a través de la cámara, dependiendo de si se trata de un modelo de uno o dos canales. Deje una distancia de dos milímetros entre la punta de la pinza y la varilla para crear los canales neumáticos.
Ahora, cargue completamente el molde con la mezcla elastomérica, asegurándose de que no queden burbujas de aire atrapadas en su interior. Luego, cura el molde a 60 grados centígrados durante 10 minutos. El siguiente paso es sacar las varillas de alambre y los dos bloques de la cámara del molde.
Asegúrese de que la conexión entre los canales neumáticos y la cámara esté bien establecida, ya que esto permite que la compresión de la cámara accione los brazos de agarre. Ahora, proceda a colocar el bloque de agarre impreso en 3D encima del componente de la pinza para crear la cámara. Primero, inserte las varillas de alambre para bloquear los agujeros en la pared del molde.
Luego, llene el molde con la mezcla elastomérica y asegúrese de que no haya burbujas de aire visibles atrapadas en el molde. Cura este molde durante 10 minutos a 60 grados centígrados también. A continuación, desmoldar los componentes curados para ensamblar la estructura de la cámara de la pinza.
El paso final es llenar el componente de la cámara sellada con aire. Para ello, haga la capa de sellado de 2,5 milímetros que completa el montaje. Llene el molde con la mezcla elastomérica y cúrelo a 60 grados centígrados durante 10 minutos.
Una vez curado, cepille una capa de material elastomérico sobre la capa de sellado curada de 2,5 milímetros. A continuación, coloque la estructura de la cámara de agarre sobre la capa de sellado y deje que se forme la unión, asegurándose de que el sellado sea perfecto, por lo que se crea una cámara llena de aire. Ahora, cure toda la estructura durante otros 15 minutos a 60 grados centígrados.
Luego retire el molde restante para completar el dispositivo. La herramienta de manejo también está hecha de un molde y los detalles están en el protocolo de texto. Inserte la pinza en la herramienta de manipulación y cubra el área de apertura con una tapa rectangular extraíble.
Luego, inserte un pistón móvil para facilitar la compresión de la cámara, lo que completa una herramienta manual. Alternativamente, inserte la pinza y un actuador lineal en una herramienta de manipulación robótica. En este caso, cubra el área de apertura con una tapa rectangular móvil.
Para evaluar la funcionalidad de la pinza blanda, pruébela con un cable de puente. Ajuste la pinza de modo que el cable quede entre los dos brazos. Luego, mueva el pistón para comprimir la cámara que acciona los brazos de agarre para sujetar el cable.
Sostenga y mueva el cable al menos a 20 centímetros de la ubicación original del cable. La técnica propuesta demuestra cómo fabricar rápidamente pinzas neumáticas blandas de bajo coste. Simplemente cambiando el diseño del molde y usando el mismo elastómero se pueden hacer pinzas para diferentes aplicaciones.
El diseño presentado aquí es capaz de recoger objetos con dimensiones de hasta 1,2 milímetros de diámetro. En una cirugía simulada, la fuerza de compresión máxima generada por el agarre de un solo brazo accionable fue de alrededor de 0,27 Newtons. Los dispositivos de doble brazo accionable medían alrededor de 0,8 Newtons.
Comparativamente, las pinzas con y sin elastómero tenían fuerzas de agarre de aproximadamente 1,7 y 2,6 Newtons respectivamente. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en una hora si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante recordar alinear las varillas firmemente antes de lanzar y realizar el sellado final con cuidado.
Siguiendo este procedimiento, la pinza blanda completa se puede acoplar a una herramienta de manipulación de la base del pistón o de la base del actuador lineal para permitir un control intuitivo del agarre. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la robótica blanda exploraran el diseño de dispositivos de agarre de cámara para la manipulación de objetos delicados. No olvide que el caucho de silicona puede ser un peligro de ingestión y siempre se deben tomar precauciones como el uso de guantes al realizar este procedimiento.
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Descripción general
Este protocolo describe un enfoque basado en varillas para fabricar dispositivos sujetadores flexibles mediante técnicas de impresión 3D y litografía blanda. Este método aborda desafíos clave en la fabricación, como la oclusión de canales y la necesidad de una fuente de aire externa.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Robótica blanda
- Ingeniería biomédica
Antecedentes
- Los efectoras suaves son esenciales para manipulaciones delicadas en procedimientos quirúrgicos.
- Los métodos convencionales enfrentan desafíos como la oclusión durante el sellado.
- La miniaturización de los canales neumáticos es crucial para una actuación eficaz.
- Este estudio explora técnicas innovadoras de fabricación para superar estos desafíos.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método confiable para la creación de dispositivos de sujeción suaves.
- Mejorar la funcionalidad de los sujetadores suaves en la cirugía de anastomosis nerviosa.
- Minimizar el riesgo de daño durante manipulaciones nerviosas delicadas.
Métodos Utilizados
- Enfoque basado en varillas para la fabricación del dispositivo.
- Combinación de técnicas de impresión 3D y litografía suave.
- Incorporación de una cámara de aire para eliminar la necesidad de una fuente externa de aire.
- Enfoque en canales neumáticos miniaturizados para una actuación constante.
Resultados principales
- El nuevo método reduce con éxito la oclusión del canal.
- Los sujetadores blandos demostraron un mejor desempeño en la manipulación de nervios.
- Los canales miniaturizados permitieron una actuación más precisa.
- El enfoque muestra potencial para aplicaciones más amplias en robótica blanda.
Conclusiones
- Este protocolo ofrece una solución novedosa para la fabricación de pinzas suaves.
- Aborda desafíos importantes en el campo de la robótica blanda.
- La técnica tiene implicaciones potenciales para aplicaciones quirúrgicas.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Los manipuladores robóticos suaves abordan la necesidad crítica de manipulación de tejidos precisa y con baja fuerza en investigaciones preclínicas y traslacionales, reduciendo el riesgo de daño a las muestras durante ensayos biológicos delicados. Este método de fabricación basado en varillas permite la prototipificación rápida y de bajo costo de actuadores neumáticos personalizables, apoyando el diseño iterativo en flujos de trabajo de validación inicial de objetivos y cribado fenotípico. Al eliminar la oclusión de canales y la dependencia de fuentes externas de aire, la técnica mejora la reproducibilidad y escalabilidad en entornos empresariales de I+D centrados en estudios de mecanobiología y entrega de fármacos.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la interrogación funcional de hipótesis terapéuticas mediante la estimulación mecánica controlada y de baja fuerza de tejidos delicados u organoides.
- Valor operativo: Facilita la prototipación rápida de geometrías personalizadas de pinzas para adaptarse a diversos tamaños de muestras biológicas y perfiles de fragilidad.
- Valor predictivo: Reduce los resultados falsos negativos en la validación de dianas al minimizar el daño artifactual del tejido durante el manejo de las muestras.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Proporciona interfaces estandarizadas y accionables para posicionar biosensores o sondas a escala microscópica en formatos de cribado de alto contenido.
- Valor operativo: Garantiza una actuación neumática constante mediante canales miniaturizados, reduciendo la variabilidad en las lecturas del cribado de compuestos.
- Escalabilidad: Facilita el desarrollo paralelo de ensayos mediante la replicación basada en moldes de dispositivos sujetadores en plataformas de múltiples pocillos.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Continuidad Translacional: Conecta la fenotipificación mecánica en fase de descubrimiento con modelos preclínicos que requieren manipulación tisular precisa, como anastomosis nerviosa o estudios vasculares.
- Reducción de Riesgos Mecanicistas: Permite evaluar los efectos de compuestos sobre la integridad tisular bajo estrés biomecánico controlado, mejorando la confianza predictiva en la optimización de fármacos líderes.
- Sistema Relevante para la Enfermedad: Facilita el desarrollo de modelos ex vivo fisiológicamente relevantes en los que un manejo suave preserva la arquitectura y función tisular nativas.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este método se integra en el continuo de descubrimiento al permitir una preparación confiable de muestras para análisis posteriores, desde ensayos iniciales de interacción con el blanco hasta estudios preclínicos de eficacia que requieren un manejo delicado de los tejidos.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis mediante perturbaciones mecánicas precisas de sistemas biológicos sin inducir respuestas de daño que puedan confundir los resultados.
- Selección: Mejora la preparación de ensayos mediante la activación neumática reproducible y libre de oclusiones para una posición constante de las muestras en flujos de trabajo automatizados.
- Análisis: Permite mediciones cuantitativas de fuerza y desplazamiento que se correlacionan con la respuesta del tejido, apoyando decisiones basadas en datos sobre continuidad o interrupción del proceso.
- Investigación Traducional: Conecta la fenotipificación mecánica temprana con la validación preclínica al mantener la viabilidad del tejido durante los pasos de manipulación.
- Reutilización Empresarial: Establece el protocolo de fabricación como una tecnología de plataforma reutilizable adaptable a múltiples proyectos y áreas terapéuticas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza en la validación de objetivos al reducir los artefactos mecánicos en ensayos con tejidos delicados.
- Valor operativo: Aumenta el rendimiento y la reproducibilidad mediante una fabricación estandarizada basada en moldes y la eliminación del manejo externo de gases.
- Valor estratégico: Reduce los costos de prototipado y acelera las iteraciones de diseño para manipuladores personalizados en proyectos de fase inicial.
- Impacto en el portafolio: Permite un avance ajustado al riesgo al garantizar la integridad de las muestras en las etapas de cribado mecanicista y fenotípico.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en litografía suave, impresión 3D y manipulación de elastómeros para la preparación del molde y el curado.
- Necesita acceso a mezcladores centrífugos, moldes de precisión y equipos de curado térmico a 60 °C.
- Exige la estandarización entre equipos de los protocolos de alineación y sellado de varillas para garantizar la integridad de la cámara y una actuación consistente.
- Incluye consideraciones de adaptación al escalar el número de brazos del pinza o la geometría del canal para diferentes tipos de tejidos o tamaños de muestras.
- Comprende limitaciones prácticas, como la sensibilidad del alineado manual y la necesidad de desmoldar con cuidado para evitar daños en los canales.
