Azionatore a base cardiaca basata sul muscolo e bioroboto auto-stabilizzante - PARTE 1

L'obiettivo generale di questo video è descrivere come sviluppare e caratterizzare un attuatore biologico utilizzando cantilever PDMS flessibili nei cardiomiociti. Questi attuatori vengono quindi incorporati con una base modificata per formare un biorobot nuotatore autostabilizzante. Il metodo di verifica qui descritto è unico, in cui la struttura meccanica di base viene modificata per formare un biorobot nuotatore autostabilizzante la cui posizione può essere determinata anche esternamente con magneti.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che le proprietà di base possono essere facilmente modificate per regolare la galleggiabilità del dispositivo e per l'autostabilizzazione. Il metodo può essere applicato per sviluppare altri nuovi dispositivi che richiederebbero autostabilizzazione e galleggiamento. In generale, le persone che non conoscono questo metodo avranno difficoltà perché deformare meccanicamente i cantilever è impegnativo.

A causa delle loro dimensioni sottili, possono essere facilmente strappati o incastrati in forme strane. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale poiché i passaggi e l'assemblaggio sono difficili da apprendere senza un aiuto visivo. Per iniziare, posiziona un wafer di silicone su uno spinner fotoresist.

Aggiungere un sottile fotoresist al wafer e centrifugare il rivestimento a 2.000 giri/min per 20 secondi per ottenere uno spessore target di 1,2 micrometri. Quindi, usa una pinzetta per wafer per trasferire il wafer rivestito su una piastra riscaldante preriscaldata a 120 gradi Celsius. Coprite la cialda con una pirofila poco profonda e cuocetela per 10 minuti.

Pesare sei grammi di una base PDMS e combinarla con 0,6 grammi di un agente indurente PDMS. Miscelare accuratamente i componenti PDMS per cinque minuti. Mettere la miscela PDMS in una camera a vuoto e aspirare a 100 millibar per 30 minuti.

Al termine, rompere l'aspirapolvere e rimuovere il contenitore. Tenere il contenitore coperto fino a quando non è necessario il PDMS. Una volta che il wafer si è raffreddato, riposizionalo sullo spinner Photo Resist.

Versare lentamente l'intera miscela PDMS degassata sul wafer in modo che non vengano introdotte nuove bolle. Quindi centrifugare il wafer a 1, 200 giri/min per cinque minuti. Utilizzando una pinzetta per wafer, rimuovere il wafer dalla centrifuga e metterlo in un forno preriscaldato.

Cuocere la cialda per una notte e poi raffreddare la cialda a temperatura ambiente. Quindi, preparare un incisore laser per modellare lo strato PDMS a film sottile. Inizia accendendo l'incisore laser e il suo sistema di scarico.

Quindi accendi il computer collegato all'incisore laser e apri il software dell'incisore laser. In File, aprire il file di progettazione dell'attuatore biologico. Premi il pulsante Impostazioni, fai clic su Blu e modifica l'impostazione della potenza al 3% e la velocità al 4%Fai clic su Imposta, fai clic su Rosso e cambia la modalità in Salta.

Quindi fare clic su Imposta. Fai lo stesso per il nero. Premere il pulsante Applica per terminare le impostazioni.

Quindi, seleziona Attiva l'incisore. Quindi premere Riposiziona per spostare il disegno al centro dello schermo. Quindi, premi il pulsante Focus View e fai clic sul bordo del disegno per spostare il punto guida del laser nel punto corrispondente.

Allineare con cura il wafer con il punto laser guida utilizzando i guanti. Una volta allineato, selezionare Avvia incisione il lavoro precedente per avviare il processo di incisione. Per fabbricare la base dell'attuatore biologico, è necessario un contenitore per la cottura.

Innanzitutto, posiziona quel contenitore su una bilancia e azzera la bilancia. Quindi, versare il PDMS premiscelato e posizionare le perle di vetro pulite di 3 millimetri di diametro sulla miscela PDMS a intervalli regolari. Lasciare almeno 5 millimetri di spazio attorno a ciascuna perlina per la base dell'attuatore biologico.

Posizionare il contenitore in una camera a vuoto, ridurre il vuoto a 100 millibar e spegnere la pompa del vuoto. Dopo 30 minuti, rompere l'aspirapolvere e rimuovere il contenitore. Tenere il contenitore coperto fino al momento del bisogno.

Quindi, riscaldare una piastra riscaldante a 40 gradi Celsius e posizionare con cura il contenitore di PDMS con le perle di vetro sulla piastra. Coprite il contenitore e cuocetelo per una notte. Una volta raffreddato, utilizzare una lama di rasoio per tagliare cubetti di 5 millimetri dal PDMS sfuso in modo che ogni cubo contenga una perla di vetro al centro.

Quindi immergere la punta di un ago nel PDMS liquido appena preparato e posizionare una goccia di PDMS sull'area di base incisa del wafer. Spalmare la gocciolina in modo che copra completamente l'area di base di 5 millimetri per 5 millimetri. Infine, usa un paio di pinzette per posizionare il cubo contenente la perla di vetro sull'area di base ricoperta di PDMS liquido.

Ripetere questa procedura per ogni dispositivo. Una volta terminato, trasferire la cialda su una piastra a 40 gradi Celsius e coprire per cuocere per una notte. Usa un paio di pinzette affilate per staccare il cantilever dal wafer e fissarlo alla parete laterale della base.

Quindi staccare con cautela l'intero gruppo dal wafer tirando la base. Per iniziare, ripetere il processo di fabbricazione utilizzato per gli attuatori biologici attraverso la fase di incisione laser. Tuttavia, per la fabbricazione di biorobot, utilizzare il design del biorobot durante il taglio laser.

Successivamente, preparare la miscela PDMS per micropalloncini e la miscela PDMS in polvere di nichel come descritto nel protocollo di testo allegato. Versare con cura le soluzioni in contenitori separati utilizzando una bilancia. Mettere entrambi i contenitori in una camera a vuoto e ridurre la pressione a 100 millibar per 30 minuti.

Una volta degassati, posizionare i contenitori su una piastra riscaldante a 40 gradi Celsius, per una notte. Usa una lama di rasoio per tagliare le basi del biorobot da ciascuno dei polimeri con dimensioni rispettive a ciascuna dimensione del biorobot, come mostrato qui. Posizionare la base PDMS in nichel su una piastra metallica con un fazzoletto per camera bianca in mezzo.

Quindi accendere lo scaricatore corona e portare la punta dello scaricatore 1 centimetro sopra le basi. Spostare la punta intorno alla base per 15 secondi per trattare la superficie. Ripetere questo processo per trattare la superficie delle basi incise al laser, per la stessa durata.

Quindi utilizzare una pinzetta per posizionare il lato trattato con nichel PDMS sul lato trattato della pellicola. Lasciare riposare il dispositivo per cinque minuti mentre le parti si legano insieme. Quindi, usa un paio di pinzette affilate per staccare il cantilever del biorobot dal wafer e posizionarlo sul fondo della base PDMS in nichel.

Quindi rimuovere l'intero gruppo dal wafer. Per collegare il PDMS a micro-palloncino all'assemblaggio, posizionare prima una piccola goccia di PDMS non polimerizzato sopra di esso. Quindi utilizzare un paio di pinzette per posizionare il lato del PDMS in nichel con il PDMS a film sottile sulla goccia del PDMS non polimerizzato.

Metti l'intero gruppo in una capsula di Petrie di plastica e poi posizionala su una piastra riscaldante a 40 gradi Celsius per indurire durante la notte. Per preparare i dispositivi per la semina cellulare, posizionare prima 100 microlitri di una soluzione di fibronectina al centro di un pallone di coltura T25 separato per ciascun dispositivo. Quindi posizionare il biorobot o l'attuatore biologico rivolto verso il basso sopra la gocciolina di soluzione di Fibronectina.

Assicurarsi che il cantilever sia aperto e immerso all'interno della gocciolina, quindi incubare il pallone a 37 gradi Celsius per 30 minuti. Dopo l'incubazione, rimuovere la soluzione di fibronectina e lavare i dispositivi due volte con PBS. Quindi rimuovere il PBS e riempire il pallone con 10 millilitri di DMEM integrati con il 10% di FBS e l'1% di penicillina.

Incubare il dispositivo a 37 gradi Celsius per un'ora per degassare il PDMS. Quindi utilizzare un magnete per tenere il biorobot sul fondo del pallone e posizionare il pallone con i campioni in un bagno a ultrasuoni per cinque minuti, per rimuovere eventuali bolle. Per determinare il giusto spessore di ogni strato composito, sono stati testati vari rapporti di miscelazione con il rapporto di miscelazione di nichel e micro-palloncini in PDMS.

Lo strato PDMS in nichel consente il controllo magnetico e la stabilità del robot. Inoltre, lo strato PDMS a micro-palloncino consente al biorobot di galleggiare e nuotare costantemente. La combinazione dei due strati produce la struttura autostabilizzante del biorobot.

Utilizzando uno script informatico, la stabilità è stata analizzata numericamente e ha dimostrato di avere un forte momento di ripristino utilizzando questo metodo a due strati. È importante ricordare di mantenere pulito il cantilever durante questa procedura e di mantenere il corretto rapporto tra la miscela PDMS e lo spessore del cantilever. Dopo aver visto questo video, dovresti capire come i materiali elastomerici possono essere formati in un sottile cantilever per supportare i cardiomiociti e come possono essere modificati per ottenere nuove proprietà come la galleggiabilità o il magnetismo per funzionalità avanzate.

Questa procedura di verifica può essere modificata incorporando altre tecniche come la modellazione dei cubi di allineamento, al fine di promuovere l'orientamento delle celle e aumentare la quarta generazione. Non dimenticare che lavorare con gli incisori laser può essere estremamente pericoloso e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni come indossare indumenti protettivi e occhiali adeguati.