심장 근육 세포 기반 액츄에이터 및 자체 안정화 비 오로봇 - 1 부

이 비디오의 전반적인 목표는 심근세포에서 유연한 PDMS 캔틸레버를 사용하여 생물학적 액추에이터를 개발하고 특성화하는 방법을 설명하는 것입니다. 그런 다음 이러한 액추에이터는 자체 안정화 수영 바이오 로봇을 형성하기 위해 수정된 베이스와 통합됩니다. 여기에 설명된 검증 방법은 독특하며, 기계적 기본 구조를 수정하여 자석으로 외부에서도 위치를 결정할 수 있는 자체 안정화 수영 바이오 로봇을 형성합니다.

이 기술의 주요 장점은 장치의 부력을 조정하고 자체 안정화를 위해 기본 속성을 쉽게 변경할 수 있다는 것입니다. 이 방법은 자체 안정화 및 부유선광이 필요한 다른 새로운 장치를 개발하는 데 적용할 수 있습니다. 일반적으로 이 방법을 처음 사용하는 개인은 캔틸레버를 기계적으로 변형하는 것이 어렵기 때문에 어려움을 겪을 것입니다.

크기가 얇기 때문에 쉽게 찢어지거나 이상한 모양으로 끼일 수 있습니다. 이 방법의 시각적 시연은 시각적 보조 장치 없이는 단계와 조립을 배우기 어렵기 때문에 매우 중요합니다. 시작하려면 포토 레지스트 스피너에 실리콘 웨이퍼를 놓습니다.

웨이퍼에 얇은 포토 레지스트를 추가하고 2, 000RPM에서 20초 동안 코팅을 스핀하여 1.2마이크로미터의 목표 두께를 얻습니다. 다음으로, 웨이퍼 핀셋을 사용하여 코팅된 웨이퍼를 섭씨 120도로 예열된 핫플레이트로 옮깁니다. 웨이퍼를 얕은 페트리 접시로 덮고 10분 동안 굽습니다.

PDMS 베이스 6g의 무게를 측정하고 PDMS 경화제 0.6g과 결합하십시오. PDMS 구성 요소를 5분 동안 철저히 혼합합니다. PDMS 혼합물을 진공 챔버에 넣고 100mbar의 진공을 30분 동안 당깁니다.

완료되면 진공 청소기를 깨고 용기를 제거합니다. PDMS가 필요할 때까지 컨테이너를 덮어 두십시오. 웨이퍼가 냉각되면 포토 레지스트 스피너에 다시 놓습니다.

가스가 제거된 전체 PDMS 혼합물을 웨이퍼에 천천히 부어 새로운 기포가 발생하지 않도록 합니다. 그런 다음 웨이퍼를 1, 200RPM으로 5분 동안 스핀 코팅합니다. 웨이퍼 핀셋을 사용하여 스핀 코터에서 웨이퍼를 제거하고 예열된 오븐에 넣습니다.

웨이퍼를 밤새 굽고 웨이퍼를 실온으로 식히십시오. 다음으로, 박막 PDMS 층을 패터닝하기 위해 레이저 조각기를 준비합니다. 레이저 조각기와 배기 시스템을 켜서 시작하십시오.

그런 다음 레이저 조각기에 연결된 컴퓨터를 켜고 레이저 조각기 소프트웨어를 엽니다. 파일에서 생물학적 액추에이터 설계 파일을 엽니다. 설정 버튼을 누르고 파란색을 클릭한 다음 전원 설정을 3%로, 속도를 4%로 변경합니다.설정을 클릭하고 빨간색을 클릭한 다음 모드를 건너뛰기로 변경합니다.

그런 다음 설정을 클릭합니다. 블랙에 대해서도 동일한 작업을 수행합니다. 적용 버튼을 눌러 설정을 마칩니다.

그런 다음 조각사 활성화를 선택합니다. 그런 다음 재배치를 눌러 디자인을 화면 중앙으로 이동합니다. 그런 다음 Focus View 버튼을 누르고 디자인의 가장자리를 클릭하여 안내 레이저 점을 해당 지점으로 이동합니다.

장갑을 낀 손을 사용하여 웨이퍼를 안내 레이저 도트에 조심스럽게 정렬합니다. 정렬이 완료되면 이전 작업 조각 시작을 선택하여 조각 프로세스를 시작합니다. 생물학적 액추에이터 베이스를 제작하기 위해서는 베이킹용 용기가 필요합니다.

먼저 해당 용기를 저울에 놓고 저울을 0으로 만듭니다. 그런 다음 미리 혼합된 PDMS를 붓고 세척된 3mm 직경의 유리 구슬을 일정한 간격으로 PDMS 혼합물에 놓습니다. 생물학적 액추에이터 베이스를 위해 각 비드 주위에 최소 5mm의 공간을 남겨 둡니다.

용기를 진공 챔버에 넣고 진공을 100mbar로 줄인 다음 진공 펌프를 끕니다. 30분 후 진공 청소기를 깨고 용기를 제거합니다. 필요할 때까지 용기를 덮은 상태로 두십시오.

다음으로, 핫플레이트를 섭씨 40도까지 가열하고 유리 구슬이 있는 PDMS 용기를 핫플레이트에 조심스럽게 놓습니다. 용기를 덮고 밤새 굽습니다. 냉각되면 면도날을 사용하여 벌크 PDMS에서 5mm 큐브를 잘라 각 큐브의 중앙에 하나의 유리 구슬이 포함되도록 합니다.

그런 다음 바늘 끝을 갓 준비한 액체 PDMS에 담그고 웨이퍼의 새겨진 베이스 영역에 PDMS 한 방울을 떨어뜨립니다. 5mm x 5mm 기본 영역을 완전히 덮도록 물방울을 문지릅니다. 마지막으로, 핀셋을 사용하여 유리 구슬이 들어 있는 큐브를 액체 PDMS로 덮인 베이스 영역에 놓습니다.

각 장치에 대해 이 과정을 반복합니다. 완료되면 웨이퍼를 섭씨 40도의 핫플레이트로 옮기고 뚜껑을 덮어 밤새 굽습니다. 한 쌍의 날카로운 핀셋을 사용하여 웨이퍼에서 캔틸레버를 떼어내고 베이스의 측벽에 부착합니다.

그런 다음 베이스를 당겨 웨이퍼에서 전체 어셈블리를 조심스럽게 분리합니다. 시작하려면 레이저 조각 단계를 통해 생물학적 액추에이터에 사용되는 제조 공정을 반복합니다. 그러나 바이오 로봇을 제작하려면 레이저 절단 중에 바이오 로봇 설계를 사용하십시오.

다음으로, 수반되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 마이크로 풍선 PDMS 혼합물과 니켈 분말 PDMS 혼합물을 준비합니다. 저울을 사용하여 용액을 별도의 용기에 조심스럽게 붓습니다. 두 용기를 모두 진공 챔버에 넣고 30분 동안 압력을 100mbar로 낮춥니다.

가스가 제거되면 용기를 섭씨 40도의 핫플레이트에 밤새 놓습니다. 면도날을 사용하여 그림과 같이 각 바이오로봇 크기에 해당하는 치수를 가진 각 폴리머에서 바이오로봇 베이스를 절단합니다. 니켈 PDMS 베이스를 금속판에 놓고 그 사이에 클린룸 티슈를 놓습니다.

그런 다음 코로나 방전기를 켜고 방전기의 끝을 베이스에서 1cm 위로 가져옵니다. 표면을 처리하기 위해 15초 동안 팁을 바닥 주위로 움직입니다. 이 과정을 반복하여 동일한 기간 동안 레이저로 새겨진 베이스의 표면을 처리합니다.

그런 다음 핀셋을 사용하여 니켈 PDMS 처리된 면을 필름의 처리된 면에 놓습니다. 부품이 서로 결합되는 동안 장치를 5분 동안 그대로 두십시오. 다음으로, 한 쌍의 날카로운 핀셋을 사용하여 웨이퍼에서 바이오로봇 캔틸레버를 벗겨내고 니켈 PDMS 베이스의 바닥에 놓습니다.

그런 다음 웨이퍼에서 전체 어셈블리를 제거합니다. 마이크로 풍선 PDMS를 어셈블리에 부착하려면 먼저 그 위에 경화되지 않은 PDMS를 작은 방울 떨어뜨립니다. 그런 다음 한 쌍의 핀셋을 사용하여 박막 PDMS가 있는 니켈 PDMS의 측면을 경화되지 않은 PDMS 방울 위에 놓습니다.

전체 어셈블리를 플라스틱 Petrie 접시에 넣은 다음 섭씨 40도의 핫플레이트에 올려 밤새 경화시킵니다. 세포 파종을 위해 장치를 준비하려면 먼저 100마이크로리터의 피브로넥틴 용액을 각 장치에 대한 별도의 T25 배양 플라스크 중앙에 놓습니다. 그런 다음 바이오로봇 또는 생물학적 액추에이터를 피브로넥틴 용액의 방울 위에 아래로 향하게 놓습니다.

캔틸레버가 펼쳐져 액적 내부에 잠겨 있는지 확인한 다음 플라스크를 섭씨 37도에서 30분 동안 배양합니다. 배양 후 Fibronectin 용액을 제거하고 PBS로 장치를 두 번 세척합니다. 그런 다음 PBS를 제거하고 10% FBS와 1% 페니실린이 보충된 10ml의 DMEM을 플라스크에 채웁니다.

PDMS의 가스를 제거하기 위해 장치를 섭씨 37도에서 1시간 동안 배양합니다. 그런 다음 자석을 사용하여 바이오 로봇을 플라스크 바닥에 고정하고 샘플이 든 플라스크를 초음파 수조에 5 분 동안 넣어 기포를 제거합니다. 각 복합 층의 올바른 두께를 결정하기 위해 PDMS에서 니켈과 마이크로 풍선의 혼합 비율로 다양한 혼합 비율을 테스트했습니다.

니켈 PDMS 층은 로봇의 자기 제어 및 안정성을 허용합니다. 또한 마이크로 풍선 PDMS 층을 통해 바이오 로봇이 꾸준히 떠다니고 수영할 수 있습니다. 두 층의 조합은 바이오 로봇의 자체 안정화 프레임워크를 생성합니다.

컴퓨터 스크립트를 사용하여 안정성을 수치로 분석하고 이 2층 방법을 사용하여 강력한 복원 모멘트를 갖는 것으로 입증했습니다. 이 절차를 통해 캔틸레버를 깨끗하게 유지하고 PDMS 혼합물과 캔틸레버 두께의 올바른 비율을 유지하는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 이 비디오를 시청한 후에는 엘라스토머 재료가 심근세포를 지지하기 위해 얇은 캔틸레버로 형성되는 방법과 고급 기능을 위한 부력 또는 자기와 같은 새로운 특성을 얻기 위해 어떻게 변형될 수 있는지 이해해야 합니다.

이 검증 절차는 세포 배향을 촉진하고 4세대를 증가시키기 위해 정렬 큐브 패터닝과 같은 다른 기술을 통합하여 수정할 수 있습니다. 레이저 조각기로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으며 이 절차를 수행하는 동안 항상 적절한 보호복 및 안경을 착용하는 것과 같은 예방 조치를 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오.