Прибор на основе карциномы на мышечной клетке и самостабилизационный биоробот - ЧАСТЬ 1

Общая цель данного видео — описать процесс разработки и характеристики биологического актуатора с использованием гибких консолей из PDMS в кардиомиоцитах. Затем эти актуаторы объединяются с модифицированным основанием для создания самостабилизирующегося плавающего биоробота. Описанный здесь метод верификации является уникальным: структура механического основания модифицирована таким образом, чтобы сформировать самостабилизирующегося плавающего биоробота, положение которого также может быть определено извне с помощью магнитов.

Основным преимуществом данного метода является то, что свойства основания можно легко изменять для регулировки плавучести устройства и его самостабилизации. Данный метод может быть применен для разработки других новых устройств, требующих самостабилизации и способности держаться на плаву. Как правило, лица, впервые использующие этот метод, могут столкнуться с трудностями, так как механическая деформация консолей является сложной задачей.

Из-за малой толщины они могут легко порваться или замяться. Визуальная демонстрация данного метода крайне важна, так как этапы и сборка трудно освоить без наглядных пособий. Для начала поместите кремниевую пластину на спин-коатер для нанесения фоторезиста.

Нанесите тонкий слой фоторезиста на пластину и проведите центрифугирование при 2 000 RPM в течение 20 секунд для достижения целевой толщины 1.2 micrometers. Затем с помощью пинцета для пластин перенесите пластину с нанесенным слоем на предварительно разогретый до 120 degrees Celsius нагревательный стол. Накройте пластину неглубокой чашкой Петри и подвергните прогреву в течение 10 минут.

Отвесьте шесть граммов основы PDMS и смешайте ее с 0,6 граммами отвердителя PDMS. Тщательно перемешивайте компоненты PDMS в течение пяти минут. Поместите смесь PDMS в вакуумную камеру и создайте вакуум 100 millibar на 30 минут.

По завершении сбросьте вакуум и извлеките контейнер. Держите контейнер закрытым до момента использования PDMS. После того как пластина остынет, поместите ее обратно на центрифугу для нанесения фоторезиста.

Медленно вылейте всю дегазированную смесь PDMS на подложку так, чтобы не допустить появления новых пузырьков. Затем нанесите смесь на подложку методом центрифугирования при 1 200 RPM в течение пяти минут. Используя пинцет для подложек, извлеките подложку из центрифуги и поместите ее в предварительно разогретый oven.

Запекайте пластину в течение ночи, затем охладите ее до комнатной температуры. Далее подготовьте лазерный гравер для создания рисунка на тонком слое PDMS. Начните с включения лазерного гравера и системы вытяжки.

Затем включите компьютер, подключенный к лазерному граверу, и запустите программное обеспечение лазерного гравера. В меню «Файл» (File) откройте файл проекта биологического актуатора. Нажмите кнопку «Настройки» (Settings), выберите «Синий» (Blue) и установите мощность на 3%, а скорость — на 4%. Нажмите «Установить» (Set), выберите «Красный» (Red) и переведите режим в положение «Пропуск» (Skip).

Затем нажмите Set. Повторите то же самое для Black. Нажмите кнопку Apply, чтобы завершить настройку.

Затем выберите Activate the Engraver. После этого нажмите Relocate, чтобы переместить эскиз в центр экрана. Далее нажмите кнопку Focus View и щелкните по краю эскиза, чтобы переместить направляющую точку лазера в соответствующую точку.

Осторожно совместите пластину с направляющей точкой лазера, используя перчатки. После совмещения выберите «Start Engraving the Prior Job», чтобы начать процесс гравировки. Для изготовления основания биологического актуатора потребуется контейнер для запекания.

Сначала поместите контейнер на весы и обнулите их. Затем налейте предварительно смешанный PDMS и через равные промежутки времени поместите очищенные стеклянные шарики диаметром 3 мм в смесь PDMS. Оставьте вокруг каждого шарика пространство не менее 5 мм для основания биологического актуатора.

Поместите контейнер в вакуумную камеру, снизьте давление до 100 millibar и выключите вакуумный насос. Через 30 минут нарушьте вакуум и извлеките контейнер. Держите контейнер закрытым до начала использования.

Затем нагрейте плитку до 40 °C и осторожно поместите контейнер с PDMS и стеклянными шариками на плитку. Закройте контейнер и выдержите его при этой температуре в течение ночи. После охлаждения с помощью лезвия бритвы вырежьте из массива PDMS кубики размером 5 мм так, чтобы в центре каждого кубика находился один стеклянный шарик.

Затем окуните кончик иглы в свежеприготовленный жидкий PDMS и поместите каплю PDMS на гравированную базовую область подложки. Размажьте каплю так, чтобы она полностью покрывала базовую область размером 5 millimeter на 5 millimeter. Наконец, с помощью пинцета поместите куб, содержащий стеклянный шарик, на базовую область, покрытую жидким PDMS.

Повторите этот процесс для каждого устройства. По завершении перенесите пластину на нагревательный стол с температурой 40 °C и накройте ее для запекания в течение ночи. Используя острый пинцет, отделите консоль от пластины и прикрепите ее к боковой стенке основания.

Затем осторожно отделите всю сборку от пластины, потянув за основание. Для начала повторите процесс изготовления, который использовался для биологических актуаторов, вплоть до этапа лазерной гравировки. Однако при изготовлении биороботов на этапе лазерной резки используйте чертеж биоробота.

Затем приготовьте смесь ПДМС с микрошариками и смесь ПДМС с порошком никеля, как описано в сопроводительном текстовом протоколе. Осторожно разлейте растворы в отдельные контейнеры, используя весы. Поместите оба контейнера в вакуумную камеру и снизьте давление до 100 millibar на 30 минут.

После дегазации поместите контейнеры на нагревательную плитку при температуре 40 °C на ночь. С помощью лезвия бритвы вырежьте основания биороботов из каждого из полимеров с размерами, соответствующими размеру каждого биоробота, как показано здесь. Поместите основание из никелевого PDMS на металлическую пластину, проложив между ними безворсовой салфеткой для чистых помещений.

Затем включите коронный разрядник и поднесите его наконечник на расстояние 1 сантиметра к основаниям. Перемещайте наконечник над основанием в течение 15 секунд для обработки поверхности. Повторите эту процедуру для обработки поверхности оснований с лазерной гравировкой в течение того же времени.

Затем с помощью пинцета поместите сторону с никелевым PDMS на обработанную сторону пленки. Оставьте устройство на пять минут, чтобы части соединились. После этого с помощью острого пинцета отделите консоль биоробота от пластины и поместите ее на основание из никелевого PDMS.

Затем снимите всю сборку с подложки. Для прикрепления микробаллона из PDMS к сборке сначала нанесите на него небольшую каплю незатвердевшего PDMS. Затем с помощью пинцета поместите сторону никелевого PDMS с тонкой пленкой PDMS на каплю незатвердевшего PDMS.

Поместите всю сборку в пластиковую чашку Петри, затем установите ее на нагревательную площадку при 40 °C для отверждения в течение ночи. Чтобы подготовить устройства к посеву клеток, сначала внесите 100 µL раствора фибронектина в центр отдельного культурального флакона T25 для каждого устройства. Затем поместите биоробота или биологический актуатор лицом вниз на каплю раствора фибронектина.

Убедитесь, что консоль развернута и погружена в каплю, затем инкубируйте колбу при 37 °C в течение 30 минут. После инкубации удалите раствор фибронектина и дважды промойте устройства раствором PBS. Затем удалите PBS и наполните колбу 10 мл среды DMEM с добавлением 10% FBS и 1% пенициллина.

Инкубируйте устройство при 37 °C в течение одного часа для дегазации PDMS. Затем с помощью магнита зафиксируйте биоробота на дне колбы и поместите колбу с образцами в ультразвуковую ванну на пять минут для удаления пузырьков. Чтобы определить оптимальную толщину каждого композитного слоя, были протестированы различные пропорции смешивания никеля и микрошариков в PDMS.

Никелевый слой ПДМС обеспечивает магнитное управление и стабильность робота. Кроме того, слой ПДМС в виде микробаллона позволяет биороботу плавать и устойчиво перемещаться в воде. Сочетание этих двух слоев создает самостабилизирующуюся основу биоробота.

С помощью компьютерного скрипта была проведена численная analiza устойчивости, которая доказала наличие сильного восстанавливающего момента при использовании данного двухслойного метода. Важно помнить о необходимости поддерживать консоль в чистоте на протяжении всей процедуры, а также соблюдать правильное соотношение компонентов смеси PDMS и толщину консоли. После просмотра этого видео вы должны понять, как из эластомерных материалов можно сформировать тонкую консоль для поддержки кардиомиоцитов и как их можно модифицировать для придания новым свойств, таких как плавучесть или магнетизм, для обеспечения расширенного функционала.

Данную процедуру верификации можно модифицировать, используя другие методы, такие как создание структурированных выравнивающих кубов, чтобы способствовать ориентации клеток и увеличить выход четвертого поколения. Не забывайте, что работа с лазерными граверами может быть крайне опасной, поэтому при выполнении данной процедуры следует всегда соблюдать меры предосторожности, такие как использование подходящей защитной одежды и средств защиты глаз.