רוד מבוססי ייצור של מכשירים גריפר פניאומטיים רובוטית להתאמה אישית רך עבור מניפולציה רקמה עדינה
2 באוגוסט 2016
פרוטוקול זה מתאר גישה מבוססת מוטות, המשלבת טכניקות הדפסת תלת מימד וליתוגרפיה רכה לייצור התקני האחיזה הרכה. גישה זו מבטלת את הצורך במקור אוויר חיצוני על ידי שילוב רכיב תא ומפחיתה את הסיכוי לחסימה במהלך תהליך האיטום, במיוחד עבור תעלות פנאומטיות ממוזערות.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לייצר התקני אחיזה רכים בגישה מבוססת מוט. בשילוב הדפסת תלת מימד וטכניקות ליתוגרפיה רכה. שיטה זו יכולה לעזור לענות על בעיות מפתח העומדות בפני ייצור תופסים פנאומטיים רכים כגון חסימת תעלות במהלך תהליך ההגדרה ושילוב תא אוויר.
היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא מאפשרת לנו לבנות תעלות פנאומטיות ממוזערות בתוך מבני האחיזה הרכה כדי להבטיח הפעלה עקבית. ההשלכה של טכניקה זו משתרעת על מה שהוא ניתוח אנסטומוזה עצבית מכיוון שהאחיזה הרובוטית הרכה מאפשרת מניפולציה עצבית עדינה ללא נזק לאחיזת יתר. הרעיון לשיטה זו עלה לראשונה כאשר נתקלנו בקושי בפיתוח תפסן רך פונקציונלי באמצעות תהליך איטום יציקה קונבנציונאלי והתחלנו להתנסות במוטות דקים בשלב היציקה.
התחל בשקילת מסה שווה של שני החומרים המרכיבים את האלסטומר בכלי ערבוב. לאחר מכן, מכסים את המיכל ומעמיסים אותו למיקסר צנטריפוגלי יחד עם מסה מאזנת. כעת, הפעל מחזור ערבוב של 30 שניות עם שלב הערבוב ב-2000 סל"ד ושלב הפחתת האוורור ב-2200 סל"ד.
צפו שהרכיבים המעורבים היטב יתרפאו כעת באופן אחיד כאשר הם יצוקים. שימו לב כי התכנון והייצור של התבניות מכוסים בפרוטוקול הטקסט והסעיף הבא עוסק בשימוש בהן. תהליך זה מתחיל ביציקת רכיבי זרוע האחיזה.
ראשית, הכנס את שני בלוקי התא המודפסים בתלת מימד לצד שמאל וימין של רכיב החדר כדי ליצור תא אטום עם תעלות פנאומטיות המחוברות אליו. לאחר מכן, הכנס מוט תיל טיטניום אחד או שניים בקוטר 1.5 מילימטר דרך החדר, תלוי אם מדובר בדגם חד ערוצי. השאירו מרחק של שני מילימטרים בין קצה האחיזה למוט כדי ליצור את התעלות הפנאומטיות.
כעת, טען את התבנית במלואה בתערובת האלסטומרית, וודא שלא נלכדו בועות אוויר בפנים. לאחר מכן, מרפאים את העובש בחום של 60 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות. השלב הבא הוא לשלוף את מוטות התיל ואת שני גושי התא החוצה מהתבנית.
ודא שהחיבור בין התעלות הפנאומטיות לתא מבוסס היטב, מכיוון שהדבר מאפשר לדחיסת החדר להפעיל את זרועות האחיזה. כעת, המשך בהנחת בלוק האחיזה המודפס בתלת מימד על גבי רכיב האחיזה על מנת ליצור את החדר. ראשית, הכנס את מוטות התיל כדי לחסום את החורים בדופן התבנית.
לאחר מכן, מלאו את התבנית בתערובת האלסטומרית וודאו שאין בועות אוויר גלויות כלואות בתבנית. מרפאים את התבנית הזו במשך 10 דקות גם ב-60 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, הסר את הרכיבים המתרפאים כדי להרכיב את מבנה תא האחיזה.
השלב האחרון הוא מילוי רכיב החדר האטום באוויר. לשם כך, הכינו את שכבת האיטום בגודל 2.5 מילימטר המשלימה את ההרכבה. ממלאים את התבנית בתערובת האלסטומרית ומרפאים אותה בחום של 60 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.
לאחר הריפוי, הברישו שכבה של חומר אלסטומרי על שכבת האיטום 2.5 מילימטר שנרפאה. לאחר מכן, הנח את מבנה תא האחיזה על שכבת האיטום ותן לקשר להיווצר, וודא שהאיטום מושלם, וכך נוצר תא מלא באוויר. כעת, רפאו את כל המבנה למשך 15 דקות נוספות בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס.
לאחר מכן הסר את התבנית שנותרה להשלמת המכשיר. כלי הטיפול עשוי גם הוא מתבנית והפרטים נמצאים בפרוטוקול הטקסט. הכנס את האחיזה לכלי הטיפול וכסה את אזור הפתיחה במכסה מלבני נשלף.
לאחר מכן, הכנס בוכנה ניתנת להזזה כדי להקל על דחיסת החדר אשר משלימה כלי ידני. לחלופין, הכנס את האחיזה ומפעיל ליניארי לתוך כלי טיפול רובוטי. במקרה זה, יש לכסות את אזור הפתיחה במכסה מלבני מטלטלין.
כדי להעריך את הפונקציונליות של האחיזה הרכה, בדוק אותו עם חוט מגשר. כוונן את האחיזה כך שהחוט יהיה בין שתי הזרועות. לאחר מכן, הזז את הבוכנה כדי לדחוס את התא שמפעיל את זרועות האחיזה כדי להחזיק את החוט.
החזק והרחיק את החוט לפחות 20 סנטימטרים מהמיקום המקורי של החוט. הטכניקה המוצעת מדגימה כיצד לייצר במהירות תופסים פנאומטיים רכים בעלות נמוכה. פשוט שינוי עיצוב התבנית ושימוש באותו אלסטומר יכולים ליצור תופסים ליישומים שונים.
העיצוב המוצג כאן מסוגל להרים חפצים בקוטר של עד 1.2 מילימטרים. בניתוח מדומה, כוח הדחיסה המרבי שנוצר על ידי אחיזת הזרוע הניתנת להפעלה בודדת היה בסביבות 0.27 ניוטון. התקני הזרוע הניתנים להפעלה כפולה נמדדו בסביבות 0.8 ניוטון.
לשם השוואה, למלקחיים עם ובלי אלסטומר היו כוחות אחיזה של כ-1.7 ו-2.6 ניוטון בהתאמה. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שעה אם היא מבוצעת כראוי. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לא פחות לזכור ליישר את המוטות היטב לפני היציקה ולבצע את האיטום הסופי בזהירות.
לאחר הליך זה, ניתן לחבר את האחיזה הרכה שהושלמה לבסיס בוכנה או לכלי טיפול בבסיס מפעיל ליניארי כדי לאפשר שליטה אינטואיטיבית באחיזה. לאחר פיתוחה, טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום הרובוטיקה הרכה לחקור את התכנון של התקני אחיזה בתא למניפולציה של אובייקטים עדינים. אל תשכח שסיליקון-גומי יכול להוות סכנת בליעה ותמיד יש לנקוט באמצעי זהירות כגון לבישת כפפות בעת ביצוע הליך זה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מתאר גישה מבוססת מוט לייצור התקני תופסנים רכים באמצעות הדפסה בתלת-ממד וטכניקות של ליתוגרפיה רכה. שיטה זו נותנת מענה לאתגרי ייצור מרכזיים, כגון חסימה של תעלות והצורך במקור אוויר חיצוני.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- רובוטיקה רכה
- הנדסה ביו-רפואית
רקע
- תפסים רכים חיוניים למניפולציות עדינות בהליכים כירורגיים.
- שיטות קונבנציונליות מתמודדות עם אתגרים כגון חסימה במהלך האיטום.
- מיניאטוריזציה של תעלות פנאומטיות היא קריטית להפעלה יעילה.
- מחקר זה בוחן טכניקות ייצור חדשניות כדי להתגבר על אתגרים אלו.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה מהימנה ליצירת התקני תופסנים רכים.
- שיפור הפונקציונליות של תופסנים רכים בניתוחי אנסטומוזיס של עצבים.
- צמצום הסיכון לנזק במהלך מניפולציות עדינות של עצבים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- גישה מבוססת מוטים לייצור המכשיר.
- שילוב של הדפסה תלת-ממדית וטכניקות של ליתוגרפיה רכה.
- שילוב של תא אוויר כדי לבטל את הצורך במקור אוויר חיצוני.
- התמקדות בערוצים פנאומטיים ממוזערים להפעלה עקבית.
תוצאות עיקריות
- השיטה החדשה מפחיתה בהצלחה את חסימת התעלות.
- תפסים רכים הראו ביצועים משופרים במניפולציה של עצבים.
- תעלות ממוזערות אפשרו הפעלה מדויקת יותר.
- הגישה מבטיחה יישומים רחבים יותר בתחום הרובוטיקה הרכה.
מסקנות
- פרוטוקול זה מציע פתרון חדשני לייצור תופסנים רכים.
- הוא נותן מענה לאתגרים משמעותיים בתחום הרובוטיקה הרכה.
- לטכניקה זו יש השלכות פוטנציאליות עבור יישומים כירורגיים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
תופסנים רובוטיים רכים מעניקים פתרון לצורך הקריטי במניפולציה מדויקת של רקמות בכוח נמוך במחקרים פרה-קליניים ותרגומיים, ובכך מפחיתים את הסיכון לנזק לדגימות במהלך בדיקות ביולוגיות עדינות. שיטת ייצור זו, המבוססת על מוטות, מאפשרת אבטייפינג מהיר וזול של מפעילים פנאומטיים הניתנים להתאמה אישית, ותומכת בתכנון איטרטיבי בתהליכי תיקוף מטרות (target validation) וסריקה פנוטיפית בשלבים מוקדמים. על ידי ביטול חסימות תעלות והסתמכות על מקורות אוויר חיצוניים, הטכניקה משפרת את השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) בסביבות מו"פ תעשייתיות המתמקדות במכנوبيולוגיה ובמחקרי הולכת תרופות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה פונקציונלית של היפותזות טיפוליות באמצעות גירוי מכני מבוקר בעוצמה נמוכה של רקמות עדינות או אורגנואידים.
- ערך תפעולי: תומך בבניית אב-טיפוס מהירה של גיאומטריות תופסנים מותאמות אישית, כדי להתאימן לגדלים שונים של דגימות ביולוגיות ולפרופילי שבירות שונים.
- ערך ניבוי: מפחית תוצאות שגויות מסוג שלילי (false-negative) בתיקוף מטרות על ידי מזעור נזקים מלאכותיים לרקמה במהלך טיפול בדגימה.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מספק ממשקים סטנדרטיים הניתנים להפעלה עבור מיקום של חיישנים ביולוגיים או גששים בקנה מידה מיקרוסקופי בפורמטים של סריקה בעלת תוכן גבוה (high-content screening).
- ערך תפעולי: מבטיח הפעלה פנאומטית עקבית דרך תעלות זעירות, ובכך מפחית את השונות בקריאות של סריקות תרכובות.
- סקביליות: מקל על פיתוח מקבילי של בדיקות באמצעות שכפול מבוסס-תבנית של התקני תפיסה (grippers) על פני פלטפורמות של מספר בארות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מגשר בין פנוטיפיקה מכנית בשלב הגילוי לבין מודלים פרה-קליניים הדורשים מניפולציה מדויקת של רקמות, כגון אנסטומוזיס של עצבים או מחקרים וסקולריים.
- הפחתת סיכונים מכניסטיים: מאפשרת הערכה של השפעות תרכובות על שלמות הרקמה תחת מאמץ ביו-מכני מבוקר, ובכך משפרת את הביטחון החזוי באופטימיזציה של מולקולות מובילות.
- מערכת רלוונטית למחלה: תומכת בפיתוח של מודלים ex vivo רלוונטיים פיזיולוגית, שבהם טיפול עדין משמר את ארכיטקטורת הרקמה הטבעית ואת תפקודה.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
שיטה זו משתלבת ברצף הגילוי על ידי מתן אפשרות להכנה אמינה של דגימות עבור אנליזות המשך, החל מבדיקות ראשוניות למעורבות מטרה (target engagement assays) ועד למחקרי יעילות פרה-קליניים הדורשים טיפול עדין ברקמות.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבחינת השערות באמצעות הפרעה מכנית מדויקת של מערכות ביולוגיות מבלי לגרום לתגובות נזק המבלבלות את התוצאות.
- סריקה: משפרת את מוכנות הבדיקה באמצעות הפעלה פנאומטית הניתנת לשחזור וללא חסימות, למיקום עקבי של דגימות בתהליכי עבודה אוטומטיים.
- אנליטיקה: מאפשרת קריאת נתונים כמותית של כוח והעתקה המתואמים עם תגובת הרקמה, מה שתומך בהחלטות go/no-go מבוססות נתונים.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין פנוטיפינג מכני מוקדם לתיקוף פרה-קליני על ידי שימור חיות הרקמה במהלך שלבי המניפולציה.
- שימוש חוזר ארגוני: מציבה את פרוטוקול הייצור כטכנולוגיית פלטפורמה הניתנת לשימוש חוזר וניתנת להתאמה למספר פרויקטים ותחומי טיפול.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: משפר את הביטחון בתיקוף המטרה על ידי הפחתת ארטיפקטים מכניים בבדיקות של רקמות עדינות.
- ערך תפעולי: מגביר את התפוקה ואת השחזוריות באמצעות ייצור סטנדרטי מבוסס תבניות וביטול טיפול חיצוני בגזים.
- ערך אסטרטגי: מפחית את עלויות בניית האבות ומאיץ את סבבי התכנון של מניפולטורים מותאמים אישית בפרויקטים בשלבים מוקדמים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר קידום מותאם סיכונים על ידי הבטחת שלמות הדגימה בשלבי סריקה מכניסטיים ופנוטיפיים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בליתוגרפיה רכה, הדפסה בתלת-ממד וטיפול באלסטומרים עבור הכנת תבניות ואשפרה.
- נדרשת גישה למערבלי צנטריפוגה, תבניות מדויקות וציוד לאשפרה תרמית ב-60°C.
- נדרש סטנדרזציה בין-צוותית של פרוטוקולי יישור המוטים והאיטום כדי להבטיח את שלמות התא והפעלה עקבית.
- כולל שיקולי התאמה בעת שינוי מספר זרועות התופס או גאומטריית התעלות עבור סוגי רקמות או גדלי דגימות שונים.
- כולל מגבלות מעשיות כגון רגישות ליישור ידני והצורך בהוצאה זהירה מהתבנית כדי למנוע נזק לתעלות.
