Actuador basado en células musculares cardíacas y biorobot autoestabilizante - PARTE 1

El objetivo general de este vídeo es describir cómo desarrollar y caracterizar un actuador biológico utilizando voladizos flexibles de PDMS en cardiomiocitos. Estos actuadores se incorporan con una base modificada para formar un biorobot de natación autoestabilizador. El método de verificación descrito aquí es único, en el que la estructura mecánica de la base se modifica para formar un biorobot de natación autoestabilizador cuya posición también se puede determinar externamente con imanes.

La principal ventaja de esta técnica es que las propiedades de la base se pueden modificar fácilmente para ajustar la flotabilidad del dispositivo y para la autoestabilización. El método se puede aplicar para desarrollar otros dispositivos novedosos que requerirían autoestabilizaciones y flotación. Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque deformar mecánicamente los voladizos es un desafío.

Debido a su delgado tamaño, pueden romperse fácilmente o pegarse en formas extrañas. La demostración visual de este método es fundamental, ya que los pasos y el ensamblaje son difíciles de aprender sin ayuda visual. Para comenzar, coloque una oblea de silicona en un girador de fotorresistencia.

Agregue una fotorresistencia delgada a la oblea y centrifuga a 2.000 RPM durante 20 segundos para obtener un espesor objetivo de 1,2 micrómetros. A continuación, use pinzas de oblea para transferir la oblea recubierta a una placa calefactora precalentada a 120 grados Celsius. Cubra la oblea con un plato Petrie poco profundo y hornee por 10 minutos.

Pesa seis gramos de una base de PDMS y combínala con 0,6 gramos de un agente de curado de PDMS. Mezcle bien los componentes del PDMS durante cinco minutos. Coloque la mezcla de PDMS en una cámara de vacío y extraiga una aspiradora de 100 milibares durante 30 minutos.

Cuando termines, rompe el vacío y retira el recipiente. Mantenga el recipiente tapado hasta que se necesite el PDMS. Una vez que la oblea se haya enfriado, vuelva a colocarla en el girador de fotorresistencia.

Vierta lentamente toda la mezcla de PDMS desgasificada en la oblea para que no se introduzcan nuevas burbujas. A continuación, reboza la oblea a 1.200 RPM durante cinco minutos. Con unas pinzas para obleas, retire la oblea del recubridor giratorio y colóquela en un horno precalentado.

Hornee la oblea durante la noche y luego enfríe la oblea a temperatura ambiente. A continuación, prepare un grabador láser para modelar la capa de PDMS de película delgada. Comience encendiendo el grabador láser y su sistema de escape.

A continuación, encienda el ordenador conectado al grabador láser y abra el software del grabador láser. En Archivo, abra el archivo de diseño del actuador biológico. Presione el botón Configuración, haga clic en Azul y cambie la configuración de energía a 3% y la velocidad a 4%Haga clic en Establecer, haga clic en Rojo y cambie el modo a Omitir.

A continuación, haga clic en Establecer. Haz lo mismo con las negras. Presione el botón Aplicar para finalizar la configuración.

A continuación, seleccione Activar el grabador. A continuación, pulse Reemplazar para mover el diseño al centro de la pantalla. A continuación, presione el botón Vista de enfoque y haga clic en el borde del diseño para mover el punto láser guía al punto correspondiente.

Alinee cuidadosamente la oblea con el punto láser guía con las manos enguantadas. Una vez alineado, seleccione Iniciar grabado del trabajo anterior para iniciar el proceso de grabado. Para fabricar la base del actuador biológico, se necesita un recipiente para hornear.

Primero, coloque ese recipiente en una báscula y ponga a cero la escala. A continuación, vierta el PDMS premezclado y coloque perlas de vidrio limpias de 3 milímetros de diámetro sobre la mezcla de PDMS a intervalos regulares. Deje al menos 5 milímetros de espacio alrededor de cada cordón para la base del actuador biológico.

Coloque el recipiente en una cámara de vacío, reduzca el vacío a 100 milibar y apague la bomba de vacío. Después de 30 minutos, rompa el vacío y retire el recipiente. Mantenga el recipiente tapado hasta que lo necesite.

A continuación, caliente una placa calefactora a 40 grados centígrados y coloque con cuidado el recipiente de PDMS con las perlas de vidrio en la placa calefactora. Tapa el recipiente y hornea toda la noche. Una vez enfriado, use una cuchilla de afeitar para cortar cubos de 5 milímetros del PDMS a granel para que cada cubo contenga una cuenta de vidrio en su centro.

A continuación, sumerja la punta de una aguja en el PDMS líquido recién preparado y coloque una gota del PDMS en la zona de la base grabada de la oblea. Unte la gota para que cubra completamente el área de la base de 5 milímetros por 5 milímetros. Finalmente, use un par de pinzas para colocar el cubo que contiene la cuenta de vidrio en el área de la base que está cubierta con PDMS líquido.

Repita este proceso para cada dispositivo. Una vez terminado, transfiera la oblea a una placa calefactora a 40 grados centígrados y cúbrala para hornear durante la noche. Use un par de pinzas afiladas para despegar el voladizo de la oblea y fíjelo a la pared lateral de la base.

A continuación, separe con cuidado todo el conjunto de la oblea tirando de la base. Para comenzar, repita el proceso de fabricación utilizado para los actuadores biológicos a través del paso de grabado láser. Sin embargo, para la fabricación de biorobots, utilice el diseño del biorobot durante el corte por láser.

A continuación, prepare la mezcla de PDMS en microglobo y la mezcla de PDMS en polvo de níquel como se describe en el protocolo de texto adjunto. Vierta con cuidado las soluciones en recipientes separados usando una báscula. Coloque ambos recipientes en una cámara de vacío y reduzca su presión a 100 milibares durante 30 minutos.

Una vez desgasificados, coloque los recipientes en una placa calefactora a 40 grados centígrados, durante la noche. Utilice una cuchilla de afeitar para cortar las bases del biorobot de cada uno de los polímeros con dimensiones correspondientes a cada tamaño de biorobot, como se muestra aquí. Coloque la base de PDMS de níquel sobre una placa de metal con un pañuelo de papel para sala limpia en el medio.

Luego encienda el descargador de corona y lleve la punta del descargador 1 centímetro por encima de las bases. Mueva la punta alrededor de la base durante 15 segundos para tratar la superficie. Repita este proceso para tratar la superficie de las bases grabadas con láser, durante el mismo tiempo.

A continuación, utilice unas pinzas para colocar el lado tratado con PDMS de níquel sobre el lado tratado de la película. Deje reposar el dispositivo durante cinco minutos mientras las piezas se unen. A continuación, utilice un par de pinzas afiladas para despegar el voladizo del biorobot de la oblea y colóquelo en la parte inferior de la base de níquel PDMS.

A continuación, retire todo el conjunto de la oblea. Para fijar el microglobo PDMS al conjunto, primero coloque una pequeña gota de PDMS sin curar encima. A continuación, utilice un par de pinzas para colocar el lado del PDMS de níquel que tiene el PDMS de película fina sobre la gota de PDMS sin curar.

Coloque todo el conjunto en un plato de plástico Petrie y luego colóquelo en una placa calefactora a 40 grados centígrados para que se cure durante la noche. Para preparar los dispositivos para la siembra de células, primero coloque 100 microlitros de una solución de fibronectina en el centro de un matraz de cultivo T25 separado para cada dispositivo. A continuación, coloque el biorobot o el actuador biológico boca abajo sobre la gota de solución de fibronectina.

Asegúrese de que el voladizo esté desplegado y sumergido dentro de la gota, y luego incube el matraz a 37 grados centígrados durante 30 minutos. Después de la incubación, retire la solución de fibronectina y lave los dispositivos dos veces con PBS. A continuación, retire el PBS y llene el matraz con 10 mililitros de DMEM suplementado con 10% de FBS y 1% de penicilina.

Incubar el dispositivo a 37 grados centígrados durante una hora para desgasificar el PDMS. A continuación, utilice un imán para sujetar el biorobot en el fondo del matraz y coloque el matraz con las muestras en un baño de ultrasonidos durante cinco minutos, para eliminar las burbujas. Para determinar el espesor correcto de cada capa compuesta, se probaron varias proporciones de mezcla con la proporción de mezcla de níquel y microglobos en PDMS.

La capa de níquel PDMS permite el control magnético y la estabilidad del robot. Además, la capa PDMS de microglobo permite que el biorobot flote y nade de manera constante. La combinación de las dos capas produce el marco autoestabilizador del biorobot.

Usando un script de computadora, la estabilidad se analizó numéricamente y se demostró que tenía un fuerte momento de restauración utilizando este método de dos capas. Es importante recordar mantener limpio el voladizo durante todo este procedimiento y mantener la proporción correcta de la mezcla de PDMS y el grosor del voladizo. Después de ver este video, debe comprender cómo los materiales elastoméricos se pueden formar en un voladizo delgado para soportar cardiomiocitos y cómo se pueden modificar para lograr nuevas propiedades, como la flotabilidad o el magnetismo, para funcionalidades avanzadas.

Este procedimiento de verificación puede modificarse incorporando otras técnicas como el patronaje de cubos de alineación, con el fin de promover la orientación de las células y aumentar la cuarta generación. No olvide que trabajar con grabadores láser puede ser extremadamente peligroso, y siempre se deben tomar precauciones, como usar ropa protectora y gafas adecuadas, mientras se realiza este procedimiento.