Siłownik oparty na komórkach mięśnia sercowego i samostabilizujący się biorobot - CZĘŚĆ 1
11 lipca 2017
W tym dwuczęściowym badaniu, biologiczny siłownik został opracowany przy użyciu wysoce elastycznych wsporników polidimetylosiloksanu (PDMS) i żywych komórek mięśniowych (kardiomiocytów) i scharakteryzowany. Aktywator biologiczny został połączony z podstawą wykonaną ze zmodyfikowanych materiałów PDMS w celu zbudowania samostabilizującego się, pływającego biorobota.
Ogólnym celem tego filmu jest opisanie sposobu opracowania i scharakteryzowania siłownika biologicznego przy użyciu elastycznych wsporników PDMS w kardiomiocytach. Siłowniki te są następnie łączone ze zmodyfikowaną podstawą, tworząc samostabilizującego się biorobota pływającego. Opisana tutaj metoda weryfikacji jest unikalna, w której mechaniczna struktura podstawy jest modyfikowana w celu utworzenia samostabilizującego się biorobota pływającego, którego pozycję można również określić zewnętrznie za pomocą magnesów.
Główną zaletą tej techniki jest to, że właściwości podstawy można łatwo zmienić, aby dostroić pływalność urządzenia i zapewnić samostabilizację. Metoda ta może być zastosowana do opracowania innych nowatorskich urządzeń, które wymagałyby samostabilizacji i flotacji. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowicjuszami w tej metodzie, będą miały trudności, ponieważ mechaniczne odkształcanie wsporników jest trudne.
Ze względu na ich cienki rozmiar można je łatwo rozerwać lub utknąć w dziwnych kształtach. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ kroki i montaż są trudne do nauczenia się bez pomocy wizualnej. Na początek umieść wafel krzemowy na spinnerze fotograficznym.
Dodaj cienki fotorezystor do płytki i wiruj z prędkością 2 000 obr./min przez 20 sekund, aby uzyskać docelową grubość 1,2 mikrometra. Następnie za pomocą pęsety waflowej przenieś powlekaną wafel na płytę grzejną nagrzaną do 120 stopni Celsjusza. Przykryj wafel płytkim szalkiem Petrie i piecz przez 10 minut.
Odważ sześć gramów bazy PDMS i połącz ją z 0,6 grama utwardzacza PDMS. Dokładnie mieszaj składniki PDMS przez pięć minut. Umieść mieszaninę PDMS w komorze próżniowej i utrzymuj próżnię 100 milibarów przez 30 minut.
Po zakończeniu przerwij próżnię i wyjmij pojemnik. Przechowywać pojemnik pod przykryciem do czasu, gdy PDMS będzie potrzebny. Gdy wafel ostygnie, umieść go z powrotem na przędzarce fotorezystancyjnej.
Powoli wylej całą odgazowaną mieszaninę PDMS na płytkę, aby nie zostały wprowadzone nowe pęcherzyki. Następnie wiruj wafel z prędkością 1 200 obr./min przez pięć minut. Za pomocą pęsety do wafli wyjmij wafel z wirówki i wstaw go do nagrzanego piekarnika.
Wafel pieczemy przez noc, a następnie studzimy wafelek do temperatury pokojowej. Następnie przygotuj grawer laserowy, aby ułożyć cienkowarstwową warstwę PDMS. Zacznij od włączenia grawera laserowego i jego układu wydechowego.
Następnie włącz komputer podłączony do grawera laserowego i otwórz oprogramowanie grawera laserowego. W obszarze Plik otwórz plik projektu siłownika biologicznego. Naciśnij przycisk Ustawienia, kliknij niebieski i zmień ustawienie mocy na 3% i prędkość na 4%Kliknij Ustaw, kliknij Czerwony i zmień tryb na Pomiń.
Następnie kliknij przycisk Ustaw. Zrób to samo dla czarnych. Naciśnij przycisk Zastosuj, aby zakończyć ustawienia.
Następnie wybierz opcję Aktywuj grawer. Następnie naciśnij Przenieś, aby przesunąć projekt na środek ekranu. Następnie naciśnij przycisk Focus View i kliknij krawędź wzoru, aby przesunąć prowadzącą kropkę lasera do odpowiedniego punktu.
Ostrożnie wyrównaj wafel z prowadzącą kropką lasera za pomocą dłoni w rękawiczkach. Po wyrównaniu wybierz opcję Rozpocznij grawerowanie poprzedniego zadania, aby rozpocząć proces grawerowania. Aby wyprodukować biologiczną podstawę siłownika, potrzebny jest pojemnik do pieczenia.
Najpierw umieść ten pojemnik na wadze i wyzeruj wagę. Następnie wlej wstępnie zmieszany PDMS i w regularnych odstępach czasu umieszczaj oczyszczone szklane kulki o średnicy 3 milimetrów na mieszaninie PDMS. Pozostaw co najmniej 5 milimetrów przestrzeni wokół każdego koralika na biologiczną podstawę siłownika.
Umieść pojemnik w komorze próżniowej, zmniejsz podciśnienie do 100 milibarów i wyłącz pompę próżniową. Po 30 minutach przerwij próżnię i wyjmij pojemnik. Trzymaj pojemnik pod przykryciem, dopóki nie będzie potrzebny.
Następnie podgrzej płytę grzejną do 40 stopni Celsjusza i ostrożnie umieść pojemnik PDMS ze szklanymi koralikami na płycie grzejnej. Przykryj pojemnik i piecz przez noc. Po schłodzeniu użyj żyletki, aby wyciąć 5-milimetrowe kostki z masowego PDMS, tak aby każda kostka zawierała jeden szklany koralik w środku.
Następnie zanurz końcówkę igły w świeżo przygotowanym płynnym PDMS i umieść kroplę PDMS na wygrawerowanej podstawie płytki. Rozsmaruj kroplę tak, aby całkowicie pokryła obszar podstawy o wymiarach 5 milimetrów na 5 milimetrów. Na koniec użyj pęsety, aby umieścić kostkę zawierającą szklany koralik na podstawie pokrytej płynnym PDMS.
Powtórz ten proces dla każdego urządzenia. Po zakończeniu przenieś wafel na płytę grzejną o temperaturze 40 stopni Celsjusza i przykryj do pieczenia przez noc. Użyj pary ostrych pęset, aby oderwać wspornik od wafla i przymocować go do bocznej ściany podstawy.
Następnie ostrożnie odłącz cały zestaw od wafla, pociągając za podstawę. Na początek powtórz proces produkcyjny stosowany w siłownikach biologicznych na etapie grawerowania laserowego. Jednak do produkcji biorobotów należy wykorzystać projekt biorobota podczas cięcia laserowego.
Następnie należy przygotować mieszaninę PDMS z mikrobalonami i mieszaninę PDMS z proszkiem niklu zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym. Ostrożnie wlej roztwory do oddzielnych pojemników za pomocą wagi. Umieść oba pojemniki w komorze próżniowej i zmniejsz ciśnienie do 100 milibarów na 30 minut.
Po odgazowaniu umieść pojemniki na płycie grzejnej w temperaturze 40 stopni Celsjusza na noc. Użyj żyletki, aby wyciąć podstawy biorobota z każdego z polimerów o wymiarach odpowiadających każdemu rozmiarowi biorobota, jak pokazano tutaj. Umieść niklową podstawę PDMS na metalowej płytce z chusteczką do pomieszczeń czystych pomiędzy nimi.
Następnie włącz wyładowanie koronowe i przesuń końcówkę wyładowania o 1 centymetr nad podstawy. Przesuwaj końcówkę wokół podstawy przez 15 sekund, aby pokryć powierzchnię. Powtórz ten proces, aby obrobić powierzchnię grawerowanych laserowo podstaw przez ten sam czas.
Następnie za pomocą pęsety umieść stronę pokrytą niklem PDMS na obrabianej stronie folii. Pozostaw urządzenie na pięć minut, gdy części łączą się ze sobą. Następnie użyj ostrej pęsety, aby oderwać wspornik biorobota od płytki i umieścić go na dnie niklowej podstawy PDMS.
Następnie wyjmij cały zestaw z płytki. Aby przymocować mikrobalon PDMS do zespołu, najpierw umieść na nim małą kroplę nieutwardzonego PDMS. Następnie użyj pęsety, aby umieścić stronę niklowego PDMS z cienkowarstwowym PDMS na kropli nieutwardzonego PDMS.
Umieść cały zestaw na plastikowej szalce Petriego, a następnie umieść go na płycie grzejnej w temperaturze 40 stopni Celsjusza, aby utwardził się przez noc. Aby przygotować urządzenia do wysiewu komórek, najpierw umieść 100 mikrolitrów roztworu fibronektyny w środku oddzielnej kolby hodowlanej T25 dla każdego urządzenia. Następnie umieść biorobota lub siłownik biologiczny skierowany w dół nad kroplą roztworu fibronektyny.
Upewnij się, że wspornik jest rozłożony i zanurzony w kropli, a następnie inkubuj kolbę w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez 30 minut. Po inkubacji usunąć roztwór fibronektyny i dwukrotnie umyć urządzenia PBS. Następnie wyjmij PBS i napełnij kolbę 10 mililitrami DMEM uzupełnionymi 10% FBS i 1% penicyliną.
Inkubuj urządzenie w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez godzinę, aby odgazować PDMS. Następnie użyj magnesu, aby przytrzymać biorobota na dnie kolby i umieść kolbę z próbkami w kąpieli ultradźwiękowej na pięć minut, aby usunąć wszelkie pęcherzyki. Aby określić odpowiednią grubość każdej warstwy kompozytowej, przetestowano różne proporcje mieszania z proporcjami mieszania niklu i mikrobalonów w PDMS.
Warstwa niklu PDMS pozwala na sterowanie magnetyczne i stabilność robota. Dodatkowo warstwa PDMS z mikrobalonem umożliwia biorobotowi stabilne unoszenie się i pływanie. Połączenie tych dwóch warstw tworzy samostabilizującą się strukturę biorobota.
Za pomocą skryptu komputerowego przeanalizowano numerycznie stabilność i udowodniono, że ma silny moment przywracający przy użyciu tej dwuwarstwowej metody. Ważne jest, aby pamiętać o utrzymaniu wspornika w czystości przez cały czas trwania tej procedury oraz o utrzymaniu prawidłowego stosunku mieszanki PDMS do grubości wspornika. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś zrozumieć, w jaki sposób materiały elastomerowe mogą być formowane w cienki wspornik, aby wspierać kardiomiocyty i jak można je zmodyfikować, aby uzyskać nowe właściwości, takie jak wyporność lub magnetyzm dla zaawansowanych funkcji.
Ta procedura weryfikacji może być modyfikowana poprzez włączenie innych technik, takich jak kostki wyrównujące wzory, w celu promowania orientacji komórek i zwiększenia czwartej generacji. Nie zapominaj, że praca z grawerami laserowymi może być niezwykle niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak noszenie odpowiedniej odzieży ochronnej i okularów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł szczegółowo opisuje opracowanie i wykonanie samostabilizującego się pływającego biorobota zasilanego biologicznymi siłownikami opartymi na kardiomiocytach. Protokół koncentruje się na konstrukcji elastycznych wsporników z PDMS, montażu kompozytowych podstaw z PDMS o dostosowanej wyporności i właściwościach magnetycznych oraz przygotowaniu urządzeń do późniejszego zasiewu komórek i funkcjonalizacji. Opisana metoda umożliwia precyzyjną kontrolę nad stabilnością i pływalnością biorobota, torując drogę do zaawansowanych biohybrydowych systemów robotycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Bioinżynieria
- Robotyka
- Inżynieria materiałowa
- Inżynieria tkankowa
Wstęp
- Bioroboty wykorzystują żywe komórki lub tkanki jako elementy wykonawcze odpowiedzialne za ruch.
- Tradycyjne roboty sztuczne nie wykazują zdolności do adaptacji i wydajności charakterystycznej dla systemów biologicznych.
- Ostatnie postępy umożliwiły ilościową charakterystykę i optymalizację działania biorobotów.
- Samostabilizacja i kontrolowana lokomocja są kluczowe dla funkcjonalności biorobotów.
Cel badania
- Opracowanie samostabilizującego się pływającego biorobota zdolnego do autonomicznego utrzymywania kąta pochylenia, głębokości i kąta przechylenia.
- Opisanie procesu wytwarzania rusztowań i podstaw opartych na PDMS o regulowanej wyporności i właściwościach magnetycznych.
- Umożliwienie zewnętrznej kontroli magnetycznej oraz stabilnego unoszenia się na powierzchni podczas i po wysiewaniu komórek.
Zastosowane metody
- Naniesienie warstw PDMS metodą spin-coatingu i ich wypalanie na waflowach krzemowych w celu stworzenia elastycznych wsporników.
- Grawerowanie laserowe w celu precyzyjnego ukształtowania komponentów siłowników i biorobota.
- Przygotowanie kompozytowych podstaw z PDMS z wykorzystaniem proszku niklu (dla właściwości magnetycznych) i mikrokulek (dla wyporności).
- Obróbka wyładowaniem koronowym w celu aktywacji powierzchni i wiązania warstw PDMS.
- Funkcjonalizacja fibronektyną w celu promowania adhezji komórek.
- Analiza numeryczna stabilności i momentów przywracających przy użyciu skryptów komputerowych.
Główne wyniki
- Pomyślnie wykonano cienkie, elastyczne wsporniki z PDMS odpowiednie do wysiewu kardiomiocytów.
- Opracowano kompozytowe podstawy z PDMS z kontrolowanym rozkładem masy w celu samostabilizacji.
- Wykazano możliwość sterowania magnetycznego i stabilną flotację biorobota podczas procesu wytwarzania i eksploatacji.
- Analiza numeryczna potwierdziła silne momenty przywracające i skuteczną samostabilizację.
Wnioski
- Opisany protokół umożliwia powtarzalne wytwarzanie samostabilizujących się pływających biorobotów.
- Kompozytowe materiały PDMS pozwalają na precyzyjne dostrojenie wyporności oraz właściwości magnetycznych w celu zapewnienia zaawansowanej kontroli.
- Podejście to można dostosować do innych urządzeń biohybrydowych wymagających wyporności i samostabilizacji.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Biohybrydowe aktuatory wykorzystujące kurczliwość indukowaną przez kardiomiocyty stanowią nowy paradygmat dla precyzyjnie sterowanych, samostabilizujących się mikrourządzeń we wczesnych etapach badań i rozwoju w sektorze biofarmaceutycznym. Opisany proces wytwarzania biorobotów opartych na PDMS z regulowaną wypornością i właściwościami magnetycznymi umożliwia powtarzalną, ilościową ocenę wydajności żywych aktuatorów. Możliwość ta wspiera mechanistyczne ograniczanie ryzyka oraz zwiększa pewność prognostyczną na styku bioinżynierii i translacyjnego rozwoju urządzeń.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia ilościową analizę mechaniki żywych aktuatorów w celu walidacji funkcjonalnej.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez izolację zmiennych materiałowych i geometrycznych w projekcie aktuatora.
- Ułatwia optymalizację architektur urządzeń biohybrydowych w oparciu o postawione hipotezy.
Przesiewy i opracowanie testów
- Zapewnia znormalizowane, powtarzalne rusztowania z PDMS do późniejszego siewu komórek i funkcjonalizacji.
- Umożliwia spójne przygotowanie platformy aktuatora do porównawczego badania wydajności.
- Wspiera skalowalne procesy wytwarzania biohybrydowych systemów gotowych do analiz.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Tworzy podstawy do modelowania interfejsów urządzeń z tkanką kurczliwą w kontekście chorobowym.
- Zapewnia ciągłość przejścia od etapu walidacji siłowników w fazie odkryć do przedklinicznego prototypowania urządzeń.
- Wspiera rozwój koncepcji urządzeń biohybrydowych z uwzględnieniem analizy ryzyka i ilościowych wskaźników wydajności.
Integracja rurociągów i przepływów pracy
Ta metoda wytwarzania sytuuje biohybrydowe aktuatory na styku wczesnych odkryć, screeningu i rozwoju urządzeń translacyjnych, umożliwiając iteracyjną optymalizację – od wyboru materiałów po walidację funkcjonalną.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie mechanizmów zmiennych wydajności siłowników.
- Screening: Dostarcza powtarzalne, gotowe do analizy platformy do ilościowego porównywania konfiguracji urządzeń.
- Analityka: Umożliwia pomiar stabilności, wyporności oraz wydajności skurczowej w celu optymalizacji opartej na danych.
- Badania translacyjne: Zapewnia modułowe ramy dla rozwoju urządzeń biohybrydowych w kierunku walidacji przedklinicznej.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia znormalizowany, adaptacyjny protokół dla różnorodnych zastosowań siłowników biohybrydowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w rozwoju urządzeń napędzanych przez aktuatory.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje procesy wytwarzania i funkcjonalizacji w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie świadomych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) oraz efektywne pod kątem kapitałowym zarządzanie portfelem koncepcji urządzeń biohybrydowych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój innowacyjnych technologii aktuatorowych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w litografii miękkiej, pracy z PDMS oraz technikach mikrofabrykacji.
- Wymaga dostępu do powlekarzy wirówkowych, grawerów laserowych i komór próżniowych w celu uzyskania powtarzalnych wyników.
- Konieczna jest standaryzacja proporcji materiałów i parametrów fabrykacji pomiędzy zespołami.
- Metoda jest możliwa do dostosowania do różnych geometrii siłowników i składów materiałów kompozytowych.
- Ostrożne obchodzenie się z cienkimi wspornikami jest krytyczne dla uniknięcia awarii mechanicznej podczas montażu.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
1:17
Fabrication of the Biological Actuators on Stationary Bases
10:22
Conclusion
9:36
Results: Stable Horizontal Positioning Achieved Through Intelliget Design
6:07
Fabrication and Assembly of Biorobots
8:21
Functionalization of the Device
