Rod-gebaseerde Fabrication personaliseerbare Soft Robotic Pneumatische Gripper Inrichtingen voor Delicate Tissue Manipulatie
2 augustus 2016
Dit protocol beschrijft een op staaf gebaseerde aanpak, die 3D-print- en zachte litografietechnieken combineert voor het fabriceren van de zachte grijperapparaten. Deze aanpak elimineert de behoefte aan een externe luchtbron door een kamercomponent te integreren en vermindert de kans op occlusie tijdens het afdichtingsproces, met name voor geminiaturiseerde pneumatische kanalen.
Het algemene doel van deze procedure is om zachte grijperapparaten te fabriceren met behulp van een op staaf gebaseerde aanpak. Gecombineerd met 3D-printen en zachte litografietechnieken. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke kwesties die worden geconfronteerd bij de fabricage van zachte pneumatische grijpers, zoals kanaalverstopping tijdens het instelproces en de integratie van een luchtkamer.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het ons toestaat om geminiaturiseerde pneumatische kanalen binnen de structuren van de zachte grijper te bouwen om een consistente activering te garanderen. De implicatie van deze techniek strekt zich uit tot wat zenuw-anastomose-chirurgie is, omdat de zachte robotische grijper delicate zenuwmanipulatie toestaat zonder schade door overmatig grijpen. We hadden voor het eerst het idee voor deze methode toen we problemen ondervonden bij het ontwikkelen van functionele zachte grijpers met behulp van conventionele afdichtingsprocessen en begonnen met experimenteren met dunne staven in de afgietselfase.
Begin met het afwegen van een gelijke massa van de twee componentmaterialen voor de elastomer in een mengvat. Bedek vervolgens de container en laad deze samen met een balanceringsmassa in een centrifugaalmixer. Voer nu een 30 seconden durende mengcyclus uit met de mengfase bij 2000 RPM en de ontluchtfase bij 2200 RPM.
Verwacht dat de grondig gemengde componenten nu uniform zullen uitharden wanneer ze gegoten worden. Merk op dat het ontwerp en de productie van de mallen wordt behandeld in het tekstprotocol en dat de volgende sectie hun gebruik behandelt. Dit proces begint met het vormen van de grijper-armcomponenten.
Plaats eerst de twee 3D-gedrukte kamerblokken in de linker- en rechterkant van het kamercomponent om een afgesloten kamer te genereren met pneumatische kanalen die erop zijn aangesloten. Plaats vervolgens een of twee titaniumdraadstaven met een diameter van 1,5 millimeter door de kamer, afhankelijk van of dit een enkel- of dubbelkanaalsmodel is. Laat een afstand van twee millimeter tussen de grijperpunt en de staaf om de pneumatische kanalen te creëren.
Laad nu de mal volledig met het elastomeermengsel, zorg ervoor dat er geen luchtbellen in zijn opgesloten. Behandel vervolgens de mal gedurende 10 minuten bij 60 graden Celsius. De volgende stap is om de draadstaven en de twee kamerblokken uit de mal te trekken.
Zorg ervoor dat de verbinding tussen de pneumatische kanalen en de kamer goed is gevestigd, omdat dit de compressie van de kamer mogelijk maakt om de grijperarmen te activeren. Ga nu verder met het plaatsen van de 3D-gedrukte grijper-blok bovenop het grijpercomponent om de kamer te creëren. Plaats eerst de draadstaven om de gaten in de wand van de mal te blokkeren.
Vul vervolgens de mal met het elastomeermengsel en zorg ervoor dat er geen zichtbare luchtbellen in de mal zijn opgesloten. Behandel ook deze mal gedurende 10 minuten bij 60 graden Celsius. Ontgiet vervolgens de uitgeharde componenten om de grijperkamerstructuur te assembleren.
De laatste stap is om de afgesloten kamercomponent met lucht te vullen. Maak hiervoor de 2,5 millimeter dikke afdichtingslaag die de assemblage voltooit. Vul de mal met het elastomeermengsel en behandel het gedurende 10 minuten bij 60 graden Celsius.
Na het uitharden, borstel een laag elastomeermateriaal op de uitgeharde 2,5 millimeter dikke afdichtingslaag. Plaats vervolgens de grijperkamerstructuur op de afdichtingslaag en laat de binding vormen, zorg ervoor dat de afdichting perfect is, zodat er een met lucht gevulde kamer ontstaat. Behandel vervolgens de hele structuur nog eens 15 minuten bij 60 graden Celsius.
Verwijder vervolgens de resterende mal om het apparaat te voltooien. Het bedieningsgereedschap wordt ook gemaakt van een mal en de details staan in het tekstprotocol. Plaats de grijper in het bedieningsgereedschap en bedek het openingsgebied met een verwijderbare rechthoekige dop.
Plaats vervolgens een beweegbare zuiger om de kamercompressie te vergemakkelijken, wat een handmatig gereedschap voltooit. Ofwel, plaats de grijper en een lineaire actuator in een robotisch bedieningsgereedschap. In dit geval bedekt u het openingsgebied met een beweegbare rechthoekige dop.
Om de functionaliteit van de zachte grijper te evalueren, test het met een jumperdraad. Stel de grijper zo in dat de draad zich tussen de twee armen bevindt. Beweeg vervolgens de zuiger om de kamer te comprimeren, wat de grijperarmen activeert om de draad vast te houden.
Houd en beweeg de draad ten minste 20 centimeter van de oorspronkelijke locatie van de draad. De voorgestelde techniek laat zien hoe u snel goedkope zachte pneumatische grijpers kunt fabriceren. Door simpelweg het malontwerp te wijzigen en hetzelfde elastomeer te gebruiken, kunt u grijpers voor verschillende toepassingen maken.
Het hier gepresenteerde ontwerp is in staat om objecten met afmetingen tot 1,2 millimeter in diameter op te pakken. In een gesimuleerde operatie was de maximale compressiekracht die door de enkele activeerbare armgrijp werd gegenereerd ongeveer 0,27 Newtons. De dubbele activeerbare armapparaten meten ongeveer 0,8 Newtons.
Voor vergelijking, pincetten met en zonder elastomeer hadden grijpkleden van respectievelijk ongeveer 1,7 en 2,6 Newtons. Eenmaal onder de knie, kan deze techniek in een uur worden uitgevoerd als deze goed wordt uitgevoerd. Bij het uitvoeren van deze procedure is het net zo belangrijk om te onthouden de staven stevig uit te lijnen voordat u giet en de laatste afdichting zorgvuldig uit te voeren.
Volgens deze procedure kan de voltooide zachte grijper worden bevestigd aan een zuigerbasis of lineaire actuatorbasis bedieningsgereedschap om intuïtieve controle van het grijpen mogelijk te maken. Na de ontwikkeling ervan, heeft deze techniek de weg geëffend voor onderzoekers op het gebied van zachte robotica om het ontwerp van kamergrijperapparaten voor delicate objectmanipulatie te verkennen. Vergeet niet dat siliconenrubber een inslikgevaar kan
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft een staafgebaseerde benadering voor het vervaardigen van zachte grijperapparaten met behulp van 3D-print- en soft-lithografietechnieken. Deze methode pakt belangrijke fabricageuitdagingen aan, zoals kanaalocclusie en de behoefte aan een externe luchtbron.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Soft Robotics
- Biomedische Techniek
Achtergrond
- Zachte grijpers zijn essentieel voor delicate manipulaties bij chirurgische procedures.
- Conventionele methoden kampen met uitdagingen zoals occlusie tijdens het afdichten.
- Miniaturisering van pneumatische kanalen is cruciaal voor een effectieve actuatie.
- Deze studie onderzoekt innovatieve fabricagetechnieken om deze uitdagingen te overwinnen.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een betrouwbare methode voor het vervaardigen van zachte grijperapparaten.
- Het verbeteren van de functionaliteit van zachte grijpers bij zenuwanastomosechirurgie.
- Het minimaliseren van het risico op beschadiging tijdens delicate zenuwmanipulaties.
Gebruikte methoden
- Stafgebaseerde benadering voor apparaatfabricage.
- Combinatie van 3D-printen en technieken voor zachte lithografie.
- Inbouw van een luchtkamer om de noodzaak voor een externe luchtbron te elimineren.
- Focus op geminiaturiseerde pneumatische kanalen voor consistente activering.
Belangrijkste resultaten
- De nieuwe methode vermindert succesvol de occlusie van het kanaal.
- Zachte grijpers vertoonden een verbeterde prestatie bij zenuwmanipulatie.
- Geminiatuurde kanalen maakten een preciezere actuatie mogelijk.
- De benadering is veelbelovend voor bredere toepassingen binnen de zachte robotica.
Conclusies
- Dit protocol biedt een innovatieve oplossing voor de fabricage van zachte grijpers.
- Het pakt belangrijke uitdagingen aan op het gebied van zachte robotica.
- De techniek heeft potentiële implicaties voor chirurgische toepassingen.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor leidinggevenden
Zachte robotische grijpers voorzien in de kritieke behoefte aan precieze weefselmanipulatie met lage kracht in preklinisch en translationaal onderzoek, waardoor het risico op monsterschade tijdens delicate biologische assays wordt verminderd. Deze staafgebaseerde fabricagemethode maakt snelle, goedkope prototyping van aanpasbare pneumatische actuatoren mogelijk, wat iteratief ontwerp ondersteunt in workflows voor targetvalidatie in een vroeg stadium en fenotypische screening. Door kanaalocclusie en afhankelijkheid van externe luchtbronnen te elimineren, verbetert deze techniek de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid voor bedrijfsmatige R&D-omgevingen die zich richten op mechanobiologie en studies naar geneesmiddelentoediening.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt functionele toetsing van therapeutische hypothesen mogelijk via gecontroleerde mechanische stimulatie met lage kracht van delicate weefsels of organoïden.
- Operationele waarde: Ondersteunt snelle prototyping van aangepaste grijpergeometrieën om aan diverse biologische monstergroottes en fragiliteitsprofielen te voldoen.
- Voorspellende waarde: Vermindert fout-negatieve resultaten bij doelvalidatie door artefactuele weefselschade tijdens de monsterbehandeling te minimaliseren.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Biedt gestandaardiseerde, aanstuurbare interfaces voor het positioneren van biosensoren of probes op microschaal in high-content screening-formaten.
- Operationele waarde: Garandeert een consistente pneumatische aansturing via geminiaturiseerde kanalen, waardoor de variabiliteit in de read-outs van compound-screening wordt verminderd.
- Schaalbaarheid: Faciliteert parallelle assay-ontwikkeling via mal-gebaseerde replicatie van grijpapparaten over multi-well platforms.
Translationeel & preklinisch onderzoek
- Translationele continuïteit: Slaat een brug tussen mechanische fenotypering in de ontdekkingsfase en preklinische modellen die nauwkeurige weefselmanipulatie vereisen, zoals zenuwanastomose of vasculaire studies.
- Mechanistische risicoreductie: Maakt evaluatie mogelijk van de effecten van verbindingen op de weefselintegriteit onder gecontroleerde biomechanische stress, wat het voorspellende vertrouwen bij lead-optimalisatie verbetert.
- Ziekterellevant systeem: Ondersteunt de ontwikkeling van fysiologisch relevante ex vivo modellen waarbij een voorzichtige behandeling de natuurlijke weefselarchitectuur en -functie behoudt.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze methode integreert in het ontdekkingscontinuüm door betrouwbare monstervoorbereiding mogelijk te maken voor downstream-analyses, van vroege target engagement-assays tot preklinische werkzaamheidsstudies die een zorgvuldige weefselbehandeling vereisen.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten via precieze mechanische perturbatie van biologische systemen zonder storende schade-responsen op te wekken.
- Screening: Verbetert de assay-gereidheid door reproduceerbare, occlusievrije pneumatische actuatie voor consistente monsterpositionering in geautomatiseerde workflows.
- Analytics: Maakt kwantitatieve uitlezingen van kracht en verplaatsing mogelijk die correleren met de weefselrespons, wat datagestuurde go/no-go-beslissingen ondersteunt.
- Translational Research: Verbindt vroege mechanische fenotypering met preklinische validatie door de weefsellevensvatbaarheid tijdens manipulatiestappen te behouden.
- Enterprise Reuse: Positioneert het fabricageprotocol als een herbruikbare platformtechnologie die aanpasbaar is voor meerdere projecten en therapeutische gebieden.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt de betrouwbaarheid van targetvalidatie door mechanische artefacten in assays van fragiel weefsel te verminderen.
- Operationele waarde: Verhoogt de doorvoer en reproduceerbaarheid door gestandaardiseerde, mal-gebaseerde fabricage en het elimineren van externe gasbehandeling.
- Strategische waarde: Verlaagt de kosten voor prototyping en versnelt designiteraties voor op maat gemaakte manipulatoren in projecten in een vroeg stadium.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde vooruitgang mogelijk door de integriteit van monsters te waarborgen in mechanistische en fenotypische screeningsfasen.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in zachte lithografie, 3D-printen en het hanteren van elastomeren voor de voorbereiding en uitharding van mallen.
- Vereist toegang tot centrifugale mengers, precisiemallen en thermische uithardingsapparatuur bij 60°C.
- Vereist cross-team standaardisatie van de uitlijnings- en afdichtingsprotocollen van de staven om de integriteit van de kamer en een consistente actuatie te garanderen.
- Omvat aanpassingsbeoordelingen bij het schalen van het aantal grijperarmen of de kanaalgeometrie voor verschillende weefseltypen of specimenformaten.
- Omvat praktische beperkingen zoals de gevoeligheid van de handmatige uitlijning en de noodzaak van zorgvuldig ontmallen om beschadiging van de kanalen te voorkomen.
