Atuador baseado em células musculares cardíacas e Biorobot auto estabilizante - PARTE 1

O objetivo geral deste vídeo é descrever como desenvolver e caracterizar um atuador biológico usando balanços flexíveis PDMS em cardiomiócitos. Esses atuadores são então incorporados a uma base modificada para formar um biorrobô de natação auto-estabilizador. O método de verificação descrito aqui é único, em que a estrutura da base mecânica é modificada para formar um biorrobô nadador auto-estabilizador cuja posição também pode ser determinada externamente com ímãs.

A principal vantagem dessa técnica é que as propriedades da base podem ser facilmente alteradas para ajustar a flutuabilidade do dispositivo e para auto-estabilização. O método pode ser aplicado para desenvolver outros novos dispositivos que exigiriam auto-estabilizações e flutuação. Geralmente, os indivíduos novos neste método terão dificuldades porque deformar mecanicamente os cantilevers é um desafio.

Devido ao seu tamanho fino, eles podem ser facilmente rasgados ou presos em formas estranhas. A demonstração visual desse método é crítica, pois as etapas e a montagem são difíceis de aprender sem auxílio visual. Para começar, coloque um wafer de silício em um girador fotorresistente.

Adicione uma fina fotorresistência ao wafer e gire a camada a 2.000 RPM por 20 segundos para obter uma espessura alvo de 1,2 micrômetros. Em seguida, use uma pinça de wafer para transferir o wafer revestido para uma placa de aquecimento pré-aquecida a 120 graus Celsius. Cubra o wafer com um prato Petrie raso e leve ao forno por 10 minutos.

Pese seis gramas de uma base PDMS e combine-a com 0,6 gramas de um agente de cura PDMS. Misture bem os componentes do PDMS por cinco minutos. Coloque a mistura PDMS em uma câmara de vácuo e puxe um vácuo de 100 milibar por 30 minutos.

Quando terminar, quebre o vácuo e remova o recipiente. Mantenha o recipiente coberto até que o PDMS seja necessário. Assim que o wafer esfriar, coloque-o de volta no girador fotorresistente.

Despeje lentamente toda a mistura PDMS desgaseificada no wafer para que não sejam introduzidas novas bolhas. Em seguida, gire a camada do wafer a 1.200 RPM por cinco minutos. Usando uma pinça de wafer, remova o wafer do revestidor de centrifugação e coloque-o em um forno pré-aquecido.

Asse o wafer durante a noite e depois resfrie-o à temperatura ambiente. Em seguida, prepare um gravador a laser para padronizar a camada PDMS de filme fino. Comece ligando o gravador a laser e seu sistema de exaustão.

Em seguida, ligue o computador conectado ao gravador a laser e abra o software do gravador a laser. Em Arquivo, abra o arquivo de projeto do atuador biológico. Pressione o botão Configurações, clique em Azul e altere a configuração de energia para 3% e velocidade para 4% Clique em Definir, clique em Vermelho e altere o modo para Pular.

Em seguida, clique em Definir. Faça o mesmo com o preto. Pressione o botão Aplicar para concluir as configurações.

Em seguida, selecione Ativar o gravador. Em seguida, pressione Realocar para mover o design para o centro da tela. Em seguida, pressione o botão Focus View e clique na borda do design para mover o ponto de laser guia para o ponto correspondente.

Alinhe cuidadosamente o wafer com o ponto de laser guia usando as mãos enluvadas. Uma vez alinhado, selecione Iniciar gravação do trabalho anterior para iniciar o processo de gravação. Para fabricar a base do atuador biológico, é necessário um recipiente para assar.

Primeiro, coloque esse recipiente em uma balança e zere a balança. Em seguida, despeje o PDMS pré-misturado e coloque contas de vidro limpas de 3 milímetros de diâmetro na mistura de PDMS em intervalos regulares. Deixe pelo menos 5 milímetros de espaço ao redor de cada cordão para a base do atuador biológico.

Coloque o recipiente em uma câmara de vácuo, reduza o vácuo para 100 milibar e desligue a bomba de vácuo. Após 30 minutos, quebre o vácuo e remova o recipiente. Mantenha o recipiente coberto até que seja necessário.

Em seguida, aqueça uma placa de aquecimento a 40 graus Celsius e coloque cuidadosamente o recipiente de PDMS com as esferas de vidro na placa de aquecimento. Tampe o recipiente e leve ao forno durante a noite. Depois de resfriado, use uma lâmina de barbear para cortar cubos de 5 milímetros do PDMS a granel para que cada cubo contenha uma conta de vidro em seu centro.

Em seguida, mergulhe a ponta de uma agulha no PDMS líquido recém-preparado e coloque uma gota do PDMS na área da base gravada do wafer. Espalhe a gota de forma que cubra completamente a área de base de 5 milímetros por 5 milímetros. Por fim, use uma pinça para colocar o cubo que contém a conta de vidro na área da base coberta com PDMS líquido.

Repita esse processo para cada dispositivo. Quando terminar, transfira o wafer para uma placa de aquecimento a 40 graus Celsius e tampe para assar durante a noite. Use uma pinça afiada para retirar o cantilever do wafer e prenda-o na parede lateral da base.

Em seguida, retire cuidadosamente todo o conjunto do wafer puxando a base. Para começar, repita o processo de fabricação usado para os atuadores biológicos através da etapa de gravação a laser. No entanto, para a fabricação de biorrobôs, use o design do biorrobô durante o corte a laser.

Em seguida, prepare a mistura PDMS de microbalão e a mistura de PDMS de pó de níquel conforme descrito no protocolo de texto que acompanha. Despeje cuidadosamente as soluções em recipientes separados usando uma balança. Coloque os dois recipientes em uma câmara de vácuo e reduza sua pressão para 100 milibares por 30 minutos.

Depois de desgaseificados, coloque os recipientes em uma placa de aquecimento a 40 graus Celsius, durante a noite. Use uma lâmina de barbear para cortar as bases do biorrobô de cada um dos polímeros com dimensões respectivas a cada tamanho de biorrobô, conforme mostrado aqui. Coloque a base de níquel PDMS em uma placa de metal com um lenço de papel limpo no meio.

Em seguida, ligue o descarregador corona e coloque a ponta do descarregador 1 centímetro acima das bases. Mova a ponta ao redor da base por 15 segundos para tratar a superfície. Repita este processo para tratar a superfície das bases gravadas a laser, pela mesma duração.

Em seguida, use uma pinça para colocar o lado tratado com PDMS de níquel no lado tratado do filme. Deixe o dispositivo descansar por cinco minutos enquanto as peças se unem. Em seguida, use uma pinça afiada para retirar o cantilever do biorobô do wafer e coloque-o na parte inferior da base de níquel PDMS.

Em seguida, remova todo o conjunto do wafer. Para prender o PDMS de microbalão ao conjunto, primeiro coloque uma pequena gota de PDMS não curado em cima dele. Em seguida, use uma pinça para colocar a lateral do PDMS de níquel com o PDMS de filme fino na gota do PDMS não curado.

Coloque todo o conjunto em uma placa de plástico Petrie e, em seguida, coloque-a em uma placa de aquecimento a 40 graus Celsius para curar durante a noite. Para preparar os dispositivos para a semeadura celular, primeiro coloque 100 microlitros de uma solução de fibronectina no centro de um frasco de cultura T25 separado para cada dispositivo. Em seguida, coloque o biorrobô ou o atuador biológico voltado para baixo sobre a gota da solução de fibronectina.

Certifique-se de que o cantilever esteja desdobrado e imerso na gota e, em seguida, incube o frasco a 37 graus Celsius por 30 minutos. Após a incubação, remova a solução de fibronectina e lave os dispositivos duas vezes com PBS. Em seguida, remova o PBS e encha o frasco com 10 mililitros de DMEM suplementado com 10% de FBS e 1% de penicilina.

Incube o dispositivo a 37 graus Celsius por uma hora para desgaseificar o PDMS. Em seguida, use um ímã para segurar o biorrobô no fundo do frasco e coloque o frasco com as amostras em um banho de ultrassom por cinco minutos, para remover quaisquer bolhas. Para determinar a espessura correta de cada camada composta, várias proporções de mistura foram testadas com a proporção de mistura de níquel e microbalões em PDMS.

A camada de níquel PDMS permite o controle magnético e a estabilidade do robô. Além disso, a camada PDMS de micro-balão permite que o biorrobô flutue e nade de forma constante. A combinação das duas camadas produz a estrutura auto-estabilizadora do biorrobô.

Usando um script de computador, a estabilidade foi analisada numericamente e provou ter um forte momento de restauração usando este método de duas camadas. É importante lembrar de manter o cantilever limpo durante todo este procedimento e manter a proporção correta de mistura PDMS e espessura do cantilever. Depois de assistir a este vídeo, você deve entender como os materiais elastoméricos podem ser transformados em um cantilever fino para suportar cardiomiócitos e como eles podem ser modificados para obter novas propriedades, como flutuabilidade ou magnetismo para funcionalidades avançadas.

Este procedimento de verificação pode ser modificado incorporando outras técnicas, como padronização de cubos de alinhamento, a fim de promover a orientação celular e aumentar a quarta geração. Não se esqueça de que trabalhar com gravadores a laser pode ser extremamente perigoso, e precauções como usar roupas e óculos de proteção adequados devem sempre ser tomadas ao realizar este procedimento.