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

L’objectif général de cette vidéo est de décrire comment développer et caractériser un actionneur biologique à l’aide de cantilevers PDMS flexibles dans les cardiomyocytes. Ces actionneurs sont ensuite incorporés avec une base modifiée pour former un biorobot nageur auto-stabilisant. La méthode de vérification décrite ici est unique, dans laquelle la structure de base mécanique est modifiée pour former un biorobot nageur auto-stabilisant dont la position peut également être déterminée à l’extérieur avec des aimants.

Le principal avantage de cette technique est que les propriétés de la base peuvent être facilement modifiées pour ajuster la flottabilité de l’appareil et pour l’auto-stabilisation. La méthode peut être appliquée pour développer d’autres nouveaux dispositifs qui nécessiteraient des auto-stabilisations et une flottation. En général, les personnes qui ne connaissent pas cette méthode auront du mal car la déformation mécanique des porte-à-faux est un défi.

En raison de leur taille fine, ils peuvent facilement être déchirés ou coincés dans des formes étranges. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle car les étapes et l’assemblage sont difficiles à apprendre sans aide visuelle. Pour commencer, placez une plaquette de silicium sur une toupie photo-résistante.

Ajoutez une fine photorésine à la plaquette et essorez la couche à 2 000 tr/min pendant 20 secondes pour obtenir une épaisseur cible de 1,2 micromètre. Ensuite, à l’aide d’une pince à épiler, transférez la plaquette enrobée sur une plaque chauffante préchauffée à 120 degrés Celsius. Couvrez la gaufrette avec un plat de Petrie peu profond et faites-la cuire pendant 10 minutes.

Pesez six grammes d’une base PDMS et combinez-la avec 0,6 gramme d’un agent de durcissement PDMS. Mélangez soigneusement les composants PDMS pendant cinq minutes. Placez le mélange PDMS dans une chambre à vide et tirez un vide de 100 millibars pendant 30 minutes.

Lorsque vous avez terminé, cassez l’aspirateur et retirez le récipient. Gardez le récipient couvert jusqu’à ce que le PDMS soit nécessaire. Une fois la plaquette refroidie, remettez-la sur la toupie photorésistante.

Versez lentement l’intégralité du mélange PDMS dégazé sur la plaquette afin qu’aucune nouvelle bulle ne soit introduite. Ensuite, essorez la gaufrette à 1 200 tr/min pendant cinq minutes. À l’aide d’une pince à épiler, retirez la gaufrette de l’essoreuse et placez-la dans un four préchauffé.

Faites cuire la gaufrette pendant la nuit, puis refroidissez-la à température ambiante. Ensuite, préparez un graveur laser pour modeler la couche de film mince PDMS. Commencez par allumer le graveur laser et son système d’échappement.

Allumez ensuite l’ordinateur connecté au graveur laser et ouvrez le logiciel du graveur laser. Sous Fichier, ouvrez le fichier de conception de l’actionneur biologique. Appuyez sur le bouton Paramètres, cliquez sur Bleu et modifiez le réglage d’alimentation à 3 % et la vitesse à 4 %Cliquez sur Définir, cliquez sur Rouge et changez le mode en Sauter.

Cliquez ensuite sur Définir. Faites de même pour les noirs. Appuyez sur le bouton Appliquer pour terminer les paramètres.

Ensuite, sélectionnez Activer le graveur. Appuyez ensuite sur Déplacer pour déplacer le design au centre de l’écran. Ensuite, appuyez sur le bouton Focus View et cliquez sur le bord du motif pour déplacer le point laser de guidage vers le point correspondant.

Alignez soigneusement la plaquette avec le point de guidage laser à l’aide de mains gantées. Une fois aligné, sélectionnez Démarrer la gravure de la tâche précédente pour démarrer 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 conteneur sur une balance et mettez-la à zéro. Ensuite, versez le PDMS prémélangé et placez des billes de verre nettoyées de 3 millimètres de diamètre sur le mélange PDMS à intervalles réguliers. Laissez au moins 5 millimètres d’espace autour de chaque perle pour la base de l’actionneur biologique.

Placez le récipient dans une chambre à vide, réduisez le vide à 100 millibars et éteignez la pompe à vide. Après 30 minutes, cassez l’aspirateur et retirez le récipient. Gardez le récipient couvert jusqu’à ce qu’il soit nécessaire.

Ensuite, chauffez une plaque chauffante à 40 degrés Celsius et placez soigneusement le récipient de PDMS avec les billes de verre sur la plaque chauffante. Couvrez le récipient et faites-le cuire toute la nuit. Une fois refroidi, utilisez une lame de rasoir pour découper des cubes de 5 millimètres dans le PDMS en vrac afin que chaque cube contienne une perle de verre en son centre.

Trempez ensuite la pointe d’une aiguille dans du PDMS liquide fraîchement préparé et placez une goutte du PDMS sur la zone de base gravée de la plaquette. Étalez la gouttelette de manière à ce qu’elle recouvre complètement la surface de base de 5 millimètres sur 5 millimètres. Enfin, à l’aide d’une pince à épiler, placez le cube contenant la perle de verre sur la zone de base recouverte de PDMS liquide.

Répétez ce processus pour chaque appareil. Une fois terminé, transférez la gaufrette sur une plaque chauffante à 40 degrés Celsius et couvrez pour cuire toute la nuit. À l’aide d’une pince à épiler pointue, décollez le porte-à-faux de la plaquette et fixez-le à la paroi latérale de la base.

Ensuite, détachez soigneusement l’ensemble de la plaquette en tirant sur la base. Pour commencer, répétez le processus de fabrication utilisé pour les actionneurs biologiques à travers l’étape de gravure laser. Cependant, pour la fabrication de biorobots, utilisez la conception du biorobot lors de la découpe laser.

Ensuite, préparez le mélange de micro-ballon PDMS et le mélange de poudre de nickel PDMS comme décrit dans le protocole de texte d’accompagnement. 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 sa pression à 100 millibars pendant 30 minutes.

Une fois dégazés, placez les récipients sur une plaque chauffante à 40 degrés Celsius, pendant la nuit. À l’aide d’une lame de rasoir, découpez les bases du biorobot dans chacun des polymères avec des dimensions respectives à la taille de chaque biorobot, comme indiqué ici. Placez la base en nickel PDMS sur une plaque métallique avec un mouchoir en papier pour salle blanche entre les deux.

Allumez ensuite le déchargeur corona et amenez la pointe du déchargeur à 1 centimètre au-dessus des bases. Déplacez la pointe autour de la base pendant 15 secondes pour traiter la surface. Répétez ce processus pour traiter la surface des socles gravés au laser, pendant la même durée.

Ensuite, à l’aide d’une pince à épiler, placez le côté traité au nickel PDMS sur le côté traité du film. Laissez l’appareil reposer pendant cinq minutes pendant que les pièces se collent ensemble. Ensuite, à l’aide d’une pince à épiler pointue, décollez le porte-à-faux du biorobot de la plaquette et placez-le au bas de la base en nickel PDMS.

Retirez ensuite l’ensemble de la plaquette. Pour fixer le micro-ballon PDMS à l’ensemble, placez d’abord une petite goutte de PDMS non durci sur le dessus. Ensuite, à l’aide d’une pince à épiler, placez le côté du PDMS en nickel ayant le PDMS à couche mince sur la goutte de PDMS non durci.

Placez l’ensemble dans une boîte de Pétrie en plastique, puis placez-la sur une plaque chauffante à 40 degrés Celsius pour durcir pendant la nuit. Pour préparer les dispositifs à l’ensemencement cellulaire, placez d’abord 100 microlitres d’une solution de fibronectine au centre d’un flacon de culture T25 séparé pour chaque dispositif. Placez ensuite le biorobot ou l’actionneur biologique face vers le bas sur la gouttelette de solution de fibronectine.

Assurez-vous que le cantilever est déplié et immergé dans la gouttelette, puis incubez le ballon à 37 degrés Celsius pendant 30 minutes. Après l’incubation, retirez la solution de fibronectine et lavez les appareils deux fois avec du PBS. Retirez ensuite le PBS et remplissez le ballon avec 10 millilitres de DMEM complété par 10 % de FBS et 1 % de pénicilline.

Incuber l’appareil à 37 degrés Celsius pendant une heure pour dégazer le PDMS. Ensuite, utilisez un aimant pour maintenir le biorobot au fond du ballon et placez le ballon avec les échantillons dans un bain à ultrasons pendant cinq minutes, pour éliminer les bulles. Pour déterminer l’épaisseur correcte de chaque couche composite, différents rapports de mélange ont été testés avec le rapport de mélange de nickel et de micro-ballons dans PDMS.

La couche PDMS en nickel permet le contrôle magnétique et la stabilité du robot. De plus, la couche PDMS du micro-ballon permet au biorobot de flotter et de nager régulièrement. La combinaison des deux couches produit le cadre auto-stabilisant du biorobot.

À l’aide d’un script informatique, la stabilité a été analysée numériquement et il a été prouvé qu’elle avait un fort moment de restauration à l’aide de cette méthode à deux couches. Il est important de ne pas oublier de garder le cantilever propre tout au long de cette procédure et de maintenir le bon rapport entre le mélange PDMS et l’épaisseur du cantilever. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez comprendre comment les matériaux élastomères peuvent être façonnés en un mince porte-à-faux pour soutenir les cardiomyocytes et comment ils peuvent être modifiés pour atteindre de nouvelles propriétés telles que la flottabilité ou le magnétisme pour des fonctionnalités avancées.

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