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 utilizando cantilevers flexíveis de PDMS em cardiomiócitos. Esses atuadores são então incorporados a uma base modificada para formar um biorrobô nadador autoestabilizável. O método de verificação descrito aqui é único, no qual a estrutura mecânica da base é modificada para formar um biorrobô nadador autoestabilizável, cuja posição pode também ser determinada externamente com ímãs.

A principal vantagem desta técnica é que as propriedades da base podem ser facilmente alteradas para ajustar a flutuabilidade do dispositivo e permitir a autoestabilização. O método pode ser aplicado para desenvolver outros dispositivos inovadores que exijam autoestabilização e flutuação. Geralmente, indivíduos novos nesta técnica terão dificuldades, pois deformar mecanicamente as alavancas é um desafio.

Devido ao seu tamanho fino, eles podem ser facilmente rasgados ou ficar presos em formas irregulares. A demonstração visual deste método é essencial, pois as etapas e a montagem são difíceis de aprender sem auxílio visual. Para começar, coloque uma placa de silício em um espalhador de fotoresistência.

Adicione uma fina camada de resistência fotográfica à pastilha e aplique por centrifugação a 2.000 RPM durante 20 segundos para obter uma espessura-alvo de 1,2 micrômetros. Em seguida, use pinças para pastilhas para transferir a pastilha revestida para uma placa aquecida previamente aquecida a 120 graus Celsius. Cubra a pastilha com uma placa de Petri rasa e aqueça por 10 minutos.

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

Quando terminar, libere o vácuo e remova o recipiente. Mantenha o recipiente coberto até que a PDMS seja necessária. Depois que a pastilha tiver esfriado, coloque-a novamente no spinner de fotoresina.

Derrame lentamente toda a mistura de PDMS dessupada sobre a pastilha de modo que nenhuma nova bolha seja introduzida. Em seguida, aplique um revestimento por centrifugação na pastilha a 1.200 RPM durante cinco minutos. Usando pinças para pastilhas, remova a pastilha do centrífugo e coloque-a em um forno pré-aquecido.

Deixe a pastilha no forno durante a noite e, em seguida, resfrie-a até a temperatura ambiente. Em seguida, prepare uma gravadora a laser para padronizar a camada fina de PDMS. Comece ligando a gravadora 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 design do atuador biológico. Pressione o botão Configurações, clique em Azul e altere a potência para 3% e a velocidade para 4%. Clique em Definir, clique em Vermelho e altere o modo para Ignorar.

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

Em seguida, selecione Ativar o Gravador. Depois pressione Realocar para mover o design para o centro da tela. Em seguida, pressione o botão Focar Visualização e clique na borda do design para mover o ponto do laser guia até o ponto correspondente.

Alinhe cuidadosamente a pastilha com o ponto laser guia usando as mãos com luvas. Após o alinhamento, selecione Iniciar Gravação do Trabalho Anterior para começar o processo de gravação. Para fabricar a base do atuador biológico, é necessário um recipiente para assar.

Primeiro, coloque esse recipiente sobre uma balança e zerar a balança. Em seguida, despeje a mistura pré-misturada de PDMS e coloque esferas de vidro limpas com diâmetro de 3 milímetros sobre a mistura de PDMS em intervalos regulares. Deixe pelo menos 5 milímetros de espaço ao redor de cada esfera para a base do atuador biológico.

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

Em seguida, aqueça uma placa aquecedora a 40 graus Celsius e coloque cuidadosamente o recipiente com PDMS e as microesferas de vidro sobre a placa. Cubra o recipiente e deixe assar durante a noite. Após o resfriamento, use uma lâmina de barbear para cortar cubos de 5 milímetros do PDMS em bloco, de modo que cada cubo contenha uma microesfera 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 da pastilha. Espalhe a gota para que cubra completamente a área da base de 5 milímetros por 5 milímetros. Por fim, use um par de pinças para posicionar o cubo contendo a esfera de vidro sobre a área da base coberta com PDMS líquido.

Repita este processo para cada dispositivo. Após a conclusão, transfira a pastilha para uma placa aquecida a 40 graus Celsius e cubra-a para assar durante a noite. Use um par de pinças afiadas para destacar o balanço da pastilha e fixá-lo na parede lateral da base.

Em seguida, retire cuidadosamente todo o conjunto da pastilha puxando a base. Para começar, repita o processo de fabricação utilizado para os atuadores biológicos até a etapa de gravação a laser. No entanto, para a fabricação de biorrobôs, utilize o design de biorrobô durante o corte a laser.

Em seguida, prepare a mistura de PDMS com microbalão e a mistura de PDMS com pó de níquel conforme descrito no protocolo de texto acompanhante. Despeje cuidadosamente as soluções em recipientes separados utilizando uma balança. Coloque ambos os recipientes em uma câmara de vácuo e reduza a pressão para 100 milibares durante 30 minutos.

Após a desgaseificação, coloque os recipientes em uma placa aquecedora a 40 graus Celsius, durante a noite. Use uma lâmina de barbear para cortar as bases do biorrobô a partir de cada um dos polímeros, com dimensões correspondentes ao tamanho de cada biorrobô, conforme mostrado aqui. Coloque a base de PDMS com níquel sobre uma placa metálica com um tecido de sala limpa entre eles.

Em seguida, ligue o descarregador de corona e posicione a ponta do descarregador a 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 pinças para colocar o lado tratado do PDMS de níquel sobre o lado tratado do filme. Deixe o dispositivo em repouso por cinco minutos enquanto as partes se ligam. A seguir, use um par de pinças afiadas para destacar o cántilever do biorrobô da pastilha e colocá-lo na parte inferior da base de PDMS de níquel.

Em seguida, remova todo o conjunto do wafer. Para fixar o micro-balão de PDMS ao conjunto, primeiro coloque uma pequena gota de PDMS não curado sobre ele. Depois, use um par de pinças para posicionar o lado do PDMS de níquel com a película fina de PDMS sobre a gota de PDMS não curado.

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

Certifique-se de que a alavanca esteja desdobrada e imersa dentro da 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 preencha o frasco com 10 mililitros de DMEM suplementado com 10%FBS e 1%penicilina.

Incube o dispositivo a 37 graus Celsius por uma hora para dessorver o PDMS. Em seguida, use um ímã para manter o biorrobô na parte inferior do frasco e coloque o frasco com as amostras em um banho de ultrassonicação por cinco minutos, a fim de remover quaisquer bolhas. Para determinar a espessura adequada de cada camada composta, várias proporções de mistura foram testadas com a proporção de níquel e microesferas no PDMS.

A camada de PDMS com níquel permite o controle magnético e a estabilidade do robô. Além disso, a camada de PDMS com microbalão permite que o biorrobô flutue e nade de forma estável. A combinação das duas camadas produz a estrutura autorregulável do biorrobô.

Utilizando um script de computador, a estabilidade foi analisada numericamente e comprovada como possuidora de um forte momento restaurador com este método de duas camadas. É importante lembrar-se de manter a cantilever limpa durante todo este procedimento e de manter a proporção correta da mistura de PDMS e a espessura da cantilever. Após assistir a este vídeo, você deverá compreender como materiais elastoméricos podem ser moldados em uma cantilever fina para suportar cardiomiócitos e como eles podem ser modificados para adquirir novas propriedades, como flutuabilidade ou magnetismo, para funcionalidades avançadas.

Esse procedimento de verificação pode ser modificado mediante a incorporação de outras técnicas, como o alinhamento de cubos de padronização, com o objetivo 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 o uso de roupas apropriadas e proteção ocular, devem sempre ser tomadas ao realizar este procedimento.