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

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

La principal ventaja de esta técnica es que las propiedades de la base pueden modificarse fácilmente para ajustar la flotabilidad del dispositivo y lograr la autorregulación. El método puede aplicarse para desarrollar otros dispositivos novedosos que requieran autorregulación y flotación. Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque deformar mecánicamente los voladizos es un proceso complicado.

Debido a su pequeño grosor, pueden romperse fácilmente o quedar atrapados en formas irregulares. 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 silicio en un centrífugo de resistencia fotográfica.

Agregue una capa delgada de resistencia fotográfica sobre la oblea y aplíquela mediante centrifugado a 2.000 RPM durante 20 segundos para obtener un espesor objetivo de 1,2 micrómetros. A continuación, utilice pinzas para obleas para transferir la oblea recubierta a una placa calefactora precalentada a 120 grados Celsius. Cubra la oblea con una placa de Petri poco profunda y caliente durante 10 minutos.

Pese seis gramos de una base de PDMS y combínelos con 0,6 gramos de un agente de curado de PDMS. Mezcle los componentes de PDMS completamente durante cinco minutos. Coloque la mezcla de PDMS en una cámara de vacío y aplique un vacío de 100 milibares durante 30 minutos.

Una vez finalizado, rompa el vacío y retire el recipiente. Mantenga el recipiente cubierto hasta que se necesite el PDMS. Una vez que la oblea se haya enfriado, colóquela nuevamente sobre el centrífugo de fotoresistente.

Vierta lentamente toda la mezcla de PDMS desgasificada sobre la oblea para que no se introduzcan burbujas nuevas. Luego, recubra la oblea mediante centrifugado a 1.200 RPM durante cinco minutos. Utilizando pinzas para obleas, retire la oblea del centrifugador y colóquela en un horno precalentado.

Deje hornear la oblea durante toda la noche y luego enfríe la oblea hasta temperatura ambiente. A continuación, prepare una grabadora láser para trazar el patrón en la capa delgada de PDMS. Comience encendiendo la grabadora láser y su sistema de extracción.

Luego encienda la computadora conectada 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 potencia al 3 % y la velocidad al 4 %. Haga clic en Establecer, haga clic en Rojo y cambie el modo a Omitir.

Luego haga clic en Establecer. Haga lo mismo para Negro. Presione el botón Aplicar para finalizar la configuración.

A continuación, seleccione Activar el grabador. Luego presione Relocalizar para mover el diseño al centro de la pantalla. A continuación, presione el botón Enfocar vista 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 utilizando manos enguantadas. Una vez alineada, seleccione Iniciar grabado del trabajo anterior para comenzar el proceso de grabado. Con el fin de fabricar la base del actuador biológico, se necesita un recipiente para hornear.

Primero, coloque ese recipiente sobre una balanza y ponga a cero la balanza. Luego, vierta PDMS premezclado y coloque cuentas 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 cuenta para la base del actuador biológico.

Coloque el recipiente en una cámara de vacío, reduzca el vacío a 100 milibares y apague la bomba de vacío. Después de 30 minutos, rompa el vacío y retire el recipiente. Mantenga el recipiente cubierto hasta que sea necesario.

A continuación, caliente una placa calefactora a 40 grados Celsius y coloque cuidadosamente el recipiente con PDMS y las perlas de vidrio sobre la placa. Tape el recipiente y hornee durante la noche. Una vez enfriado, use una cuchilla de afeitar para cortar cubos de 5 milímetros del PDMS macizo, de modo que cada cubo contenga una perla de vidrio en su centro.

Luego, sumerja la punta de una aguja en PDMS líquido recién preparado y coloque una gota de PDMS sobre el área base grabada de la oblea. Extienda la gota para que cubra completamente el área base de 5 milímetros por 5 milímetros. Finalmente, utilice un par de pinzas para colocar el cubo que contiene la perla de vidrio sobre el área base cubierta con PDMS líquido.

Repita este proceso para cada dispositivo. Una vez finalizado, transfiera la oblea a una placa calefactora de 40 grados Celsius y cúbrala para hornearla durante la noche. Utilice un par de pinzas afiladas para desprender el cantiléver de la oblea y fíjelo a la pared lateral de la base.

Luego, desprenda cuidadosamente todo el conjunto del oblea tirando de la base. Para comenzar, repita el proceso de fabricación utilizado para los actuadores biológicos hasta el paso de grabado láser. Sin embargo, para la fabricación de biorrobots, utilice el diseño de biorrobot durante el corte láser.

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

Una vez desgasificado, coloque los recipientes sobre una placa calefactora a 40 grados Celsius durante la noche. Utilice una cuchilla de afeitar para cortar las bases del biorrobot de cada uno de los polímeros con dimensiones correspondientes a cada tamaño de biorrobot, como se muestra aquí. Coloque la base de PDMS con níquel sobre una placa metálica con un tejido de sala limpia entre medias.

Luego encienda el descargador de corona y coloque la punta del descargador a 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 la misma duración.

Luego, use pinzas para colocar el lado de PDMS con níquel tratado sobre el lado tratado de la película. Deje el dispositivo reposar durante cinco minutos mientras las partes se unen. A continuación, use un par de pinzas finas para separar el cantiléver del biorrobot del oblea y colóquelo en la parte inferior de la base de PDMS con níquel.

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

Coloque todo el ensamblaje en una placa de Petri de plástico y luego coloque esto sobre una placa calefactora a 40 grados Celsius para curar durante la noche. Para preparar los dispositivos para la siembra celular, primero coloque 100 microlitros de una solución de fibronectina en el centro de un matraz de cultivo T25 separado para cada dispositivo. Luego coloque el biorrobot o el actuador biológico boca abajo sobre la gota de la solución de fibronectina.

Asegúrese de que la palanca esté desplegada e inmersa dentro de la gota, e incube el matraz a 37 grados Celsius durante 30 minutos. Tras la incubación, retire la solución de fibronectina y lave los dispositivos dos veces con PBS. A continuación, elimine el PBS y llene el matraz con 10 mililitros de DMEM suplementado con 10% FBS y 1% penicilina.

Incube el dispositivo a 37 grados Celsius durante una hora para desgasificar el PDMS. Luego, utilice un imán para mantener el biorrobot en el fondo del matraz y coloque el matraz con las muestras en un baño de ultrasonidos durante cinco minutos, con el fin de eliminar cualquier burbuja. Para determinar el espesor adecuado de cada capa compuesta, se probaron varias relaciones de mezcla con la proporción de níquel y microesferas en PDMS.

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

Mediante un script informático, se analizó numéricamente la estabilidad y se demostró que presenta un fuerte momento de restauración utilizando este método de dos capas. Es importante recordar mantener el microlaminado limpio durante todo el procedimiento, así como conservar la proporción correcta de la mezcla de PDMS y el grosor adecuado del microlaminado. Tras ver este video, debería comprenderse cómo los materiales elastoméricos pueden conformarse en un microlaminado delgado para soportar cardiomiocitos y cómo pueden modificarse para obtener nuevas propiedades, como flotabilidad o magnetismo, que permitan funciones avanzadas.

Este procedimiento de verificación puede modificarse incorporando otras técnicas, como el alineamiento de cubos de patrones, con el fin de promover la orientación celular y aumentar la cuarta generación. No olvide que trabajar con grabadoras láser puede ser extremadamente peligroso, y siempre se deben tomar precauciones, como usar ropa protectora y equipo de protección ocular adecuados, al realizar este procedimiento.