Actionneur à base de cellules musculaires cardiaques et Biorobot auto-stabilisant - PARTIE 1

L'objectif général de cette vidéo est de décrire comment concevoir et caractériser un actionneur biologique utilisant des poutres encastrées flexibles en PDMS associées à des cardiomyocytes. Ces actionneurs sont ensuite intégrés à une base modifiée pour former un biorobot nageur auto-stabilisé. La méthode de vérification décrite ici est originale, dans laquelle la structure mécanique de base est modifiée pour former un biorobot nageur auto-stabilisé dont la position peut également être déterminée extérieurement à l’aide d’aimants.

Le principal avantage de cette technique réside dans le fait que les propriétés de la base peuvent être facilement modifiées afin d'ajuster la flottabilité du dispositif et d'assurer son auto-stabilisation. La méthode peut être appliquée au développement d'autres dispositifs innovants nécessitant une auto-stabilisation et une flottaison. En général, les personnes novices dans cette méthode éprouvent des difficultés, car la déformation mécanique des leviers encastrés est délicate.

En raison de leur faible épaisseur, ils peuvent facilement se déchirer ou s'empêtrer en des formes irrégulières. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car les étapes et le montage sont difficiles à apprendre sans aide visuelle. Pour commencer, placez une plaquette de silicium sur un spinner de photo-résine.

Ajouter une fine couche de résine photosensible sur la plaquette et effectuer un dépôt par centrifugation à 2 000 tr/min pendant 20 secondes afin d'obtenir une épaisseur cible de 1,2 micromètre. Ensuite, utiliser des pinces à plaquettes pour transférer la plaquette recouverte sur un bloc chauffant préchauffé à 120 degrés Celsius. Couvrir la plaquette avec une boîte de Pétri peu profonde et la faire cuire pendant 10 minutes.

Prélevez six grammes d'une base de PDMS et mélangez-les avec 0,6 gramme d'un agent de réticulation pour PDMS. Mélangez soigneusement les composants du PDMS pendant cinq minutes. Placez le mélange de PDMS dans une chambre à vide et appliquez une pression réduite de 100 millibars pendant 30 minutes.

Lorsque l'opération est terminée, relâchez le vide et retirez le récipient. Gardez le récipient couvert jusqu'à ce que le PDMS soit nécessaire. Une fois que la plaquette est refroidie, replacez-la sur le spinner de résine photosensible.

Verser lentement tout le mélange de PDMS dégazé sur la tranche de manière à ne pas introduire de nouvelles bulles. Ensuite, appliquer un revêtement par centrifugation de la tranche à 1 200 tr/min pendant cinq minutes. À l’aide de pinces à tranches, retirer la tranche du centrifugeuse et la placer dans un four préchauffé.

Faites cuire la tranche toute la nuit, puis laissez-la refroidir à température ambiante. Ensuite, préparez un graveur laser pour dessiner le motif sur la couche mince de PDMS. Commencez par allumer le graveur laser et son système d'évacuation.

Ensuite, allumez l'ordinateur connecté au graveur laser et ouvrez le logiciel du graveur laser. Dans le menu Fichier, ouvrez le fichier de conception de l'actionneur biologique. Appuyez sur le bouton Paramètres, cliquez sur Bleu, puis modifiez la puissance à 3 % et la vitesse à 4 %. Cliquez sur Appliquer, cliquez sur Rouge, puis changez le mode à Ignorer.

Ensuite, cliquez sur Définir. Faites de même pour Noir. Appuyez sur le bouton Appliquer pour terminer la configuration.

Ensuite, sélectionnez Activer le graveur. Appuyez ensuite sur Déplacer pour centrer le motif à l'écran. Ensuite, appuyez sur le bouton Mettre au point et cliquez sur le bord du motif pour déplacer le point laser directeur vers le point correspondant.

Alignez soigneusement la plaquette avec le point laser de guidage en utilisant des gants. Une fois l'alignement effectué, sélectionnez Démarrer la gravure du travail précédent pour commencer le processus de gravure. Afin de fabriquer la base de l'actionneur biologique, un récipient pour la cuisson est nécessaire.

Tout d'abord, placez ce récipient sur une balance et remettez la balance à zéro. Ensuite, versez du Sylgard 184 pré-mélangé et déposez des billes de verre propres de 3 millimètres de diamètre sur le mélange de Sylgard à intervalles réguliers. Laissez un espace d'au moins 5 millimètres autour de chaque bille pour la base de l'actionneur biologique.

Placer le récipient dans une chambre à vide, réduire le vide à 100 millibars et arrêter la pompe à vide. Après 30 minutes, rompre le vide et retirer le récipient. Garder le récipient couvert jusqu’à ce qu’il soit nécessaire.

Ensuite, chauffez un bloc chauffant à 40 degrés Celsius et placez délicatement le récipient contenant le PDMS avec les billes de verre sur le bloc chauffant. Couvrez le récipient et faites cuire toute la nuit. Une fois refroidi, utilisez une lame de rasoir pour découper des cubes de 5 millimètres dans le PDMS massif, de sorte que chaque cube contienne une bille de verre en son centre.

Ensuite, trempez l'extrémité d'une aiguille dans du PDMS liquide fraîchement préparé et déposez une goutte de PDMS sur la zone de base gravée de la tranche. Étalez la goutte pour qu'elle recouvre complètement la surface de base de 5 millimètres sur 5 millimètres. Enfin, utilisez une paire de pinces pour placer le cube contenant la bille de verre sur la zone de base recouverte de PDMS liquide.

Répétez ce processus pour chaque dispositif. Une fois terminé, transférez la plaquette sur une plaque chauffante à 40 degrés Celsius et couvrez-la pour la faire cuire toute la nuit. Utilisez une paire de pincettes pointues pour détacher le levier en porte-à-faux de la plaquette et fixez-le sur la paroi latérale de la base.

Ensuite, détachez soigneusement l'ensemble du wafer en tirant sur la base. Pour commencer, répétez le processus de fabrication utilisé pour les actionneurs biologiques jusqu'à l'étape de gravure laser. Toutefois, pour la fabrication des biorobots, utilisez le design de biorobot lors de la découpe laser.

Ensuite, préparez le mélange de PDMS pour micro-ballon et le mélange de PDMS avec poudre de nickel comme décrit dans le protocole accompagnant le texte. Versez soigneusement les solutions dans des récipients séparés à l’aide d’une balance. Placez les deux récipients dans une chambre à vide et réduisez la pression à 100 millibars pendant 30 minutes.

Une fois dégazé, placer les récipients sur un chauffe-ballon à 40 degrés Celsius, pendant toute une nuit. Utiliser une lame de rasoir pour découper les bases des biorobots dans chacun des polymères, selon les dimensions correspondant à la taille de chaque biorobot, comme indiqué ici. Placer la base en PDMS contenant le nickel sur une plaque métallique avec un tissu de salle propre intercalé.

Ensuite, allumez le générateur de couronne électrique et approchez l'extrémité du générateur à 1 centimètre au-dessus des bases. Déplacez l'extrémité autour de la base pendant 15 secondes afin de traiter la surface. Répétez ce processus pour traiter la surface des bases gravées au laser, pendant la même durée.

Ensuite, utilisez une pince pour placer le côté en PDMS nickelé, traité, sur le côté traité du film. Laissez l'appareil reposer pendant cinq minutes afin que les pièces s'assemblent. Ensuite, utilisez une pince fine pour détacher le levier du biorobot de la plaquette et placez-le sur la face inférieure de la base en PDMS nickelé.

Ensuite, retirez l'ensemble complet du wafer. Pour fixer le micro-ballon en PDMS à l'ensemble, déposez d'abord une petite goutte de PDMS non durci sur sa partie supérieure. Utilisez ensuite une paire de pinces pour positionner le côté du PDMS au nickel, sur lequel se trouve la couche mince de PDMS, sur la goutte de PDMS non durci.

Placer l'ensemble dans une boîte de Pétri en plastique, puis déposer celle-ci sur un agitateur chauffant à 40 degrés Celsius pour une polymérisation de 12 heures. Pour préparer les dispositifs en vue du semis cellulaire, ajouter d'abord 100 microlitres d'une solution de fibronectine au centre d'un flacon de culture T25 séparé pour chaque dispositif. Ensuite, placer le biorobot ou l'actionneur biologique par-dessus la goutte de solution de fibronectine, face vers le bas.

Veillez à ce que le levier soit déplié et immergé dans la goutte, puis incubez le flacon à 37 degrés Celsius pendant 30 minutes. Après l'incubation, retirez la solution de fibronectine et lavez les dispositifs deux fois avec du PBS. Ensuite, éliminez le PBS et remplissez le flacon avec 10 millilitres de DMEM supplémenté avec 10 % FBS et 1 % de pénicilline.

Incuber l'appareil à 37 degrés Celsius pendant une heure afin de dégazer le PDMS. Ensuite, utiliser un aimant pour maintenir le biorobot au fond du flacon, puis placer le flacon contenant les échantillons dans un bain d'ultrasons pendant cinq minutes afin d'éliminer toutes les bulles. Pour déterminer l'épaisseur appropriée de chaque couche composite, différents rapports de mélange ont été testés, en faisant varier les proportions de nickel et de microsphères dans le PDMS.

La couche de PDMS contenant du nickel permet le contrôle magnétique et assure la stabilité du robot. De plus, la couche de PDMS à micro-bulles permet au biorobot de flotter et de nager de manière stable. La combinaison de ces deux couches forme le cadre auto-stabilisant du biorobot.

À l'aide d'un script informatique, la stabilité a été analysée numériquement et s'est révélée posséder un fort moment de rappel grâce à cette méthode en deux couches. Il est important de garder le cantilever propre tout au long de cette procédure, ainsi que de maintenir le bon rapport du mélange de PDMS et l'épaisseur adéquate du cantilever. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez comprendre comment des matériaux élastomères peuvent être façonnés en un fin cantilever afin de supporter des cardiomyocytes, et comment ils peuvent être modifiés pour acquérir de nouvelles propriétés telles que la flottabilité ou le magnétisme, permettant ainsi des fonctionnalités avancées.

Cette procédure de vérification peut être modifiée en incorporant d'autres techniques, telles que l'alignement par motifs de cubes, afin de favoriser l'orientation des cellules et d'augmenter la quatrième génération. N'oubliez pas que le travail avec des graveurs laser peut être extrêmement dangereux, et que des précautions telles que le port de vêtements de protection et de lunettes adaptés doivent toujours être prises lors de l'exécution de cette procédure.