Teknik hidrojel tabanlı Micromachines manyetik olarak duyarlı bileşenleri ile Facile ve hızlı üretim için üretim bir katkı
18 Temmuz 2018
UV-crosslinkable hydrogels işlemek için bir katkı üretim stratejisi geliştirmiştir. Bu strateji microfabricated hidrojel yapıları katman katman Meclisi hem de, bağımsız bileşenler Meclisi tümleşik aygıtlar için manyetik çalıştırma duyarlı hareket bileşenleri içeren verimli sağlar.
Bu yöntem, manyetik olarak harekete geçirilebilen hareketli bileşenlerle birleştirilen sofistike, biyouyumlu hidrojel bazlı mikro cihazlar oluşturmak için bir üretim stratejisi göstermektedir. Bu tekniğin temel avantajı, insanlarda kullanım için FDA onaylı PET bazlı hidrojellerden karmaşık cihazların mikro üretimi için hızlı ve basit bir yöntem olmasıdır. Bu, tamamen biyouyumlu ve implante edilebilir bir cihazla sonuçlanır.
Başlamak için, ekteki metin protokolünü gözden geçirin ve bunu PDMS odasını imal etmek ve beraberindeki metin protokolünde açıklandığı gibi fotoğraf maskelerini tasarlamak için kullanın. Ardından, iki numaralı cam kapak kaymasının işlenmemiş bir parçasını kullanarak PDMS odası için üst kapağı oluşturun. Cihazın sıfır seviyesinden başlayarak, mikrometre kafasını kullanarak alt tabakayı istenen yüksekliğe indirin.
Alt alt tabakayı kaplamaya yetecek kadar küçük bir hacimde PEGDA prepolimeri biriktirin ve ardından üst alt tabakayı PDMS haznesine yerleştirin. Üst ve alt alt tabakalar arasında sıkışmış hava kabarcıkları olmadığından emin olmak önemlidir. Hava kabarcıkları, polimerize hidrojelde büyük gözeneklere veya kusurların oluşmasına neden olur.
Ardından, üst alt tabakanın üzerine istenen tasarıma sahip bir fotoğraf maskesi yerleştirin. Maskenin üst alt tabaka ile tam temas halinde olduğundan emin olun ve alt tabakanın alt kısmına hizalayın. Koruyucu UV gözlükleri takın.
Daha sonra hidrojel prepolimeri fotomaske aracılığıyla UV ışığına maruz bırakın. UV maruziyetinin gücü ve süresi, sistemin tipine ve PEGDA formülasyonuna bağlıdır. Hidrojel tabakası polimerize edildikten sonra, üst alt tabakayı PDMS odasından kaldırın.
Polimerize tabakalar üst alt tabakaya yapıştırılmalıdır. Bu polimerize tabakayı fazla, çapraz bağlanmamış prepolimer ile ıslatın ve ışıktan uzakta saklayın ve tabakanın kurumasını ve çatlamasını önleyin. Monte edilmiş cihazı mühürlemek için daha sonra kullanmak üzere saklayın.
Alt destek yapılarını oluşturmak için, PDMS kaplı bir cam kapak kızağı alarak başlayın ve bunu PDMS odasının üst alt tabakası olarak kullanın. Alt alt tabakaya daha fazla hidrojel prepolimer bırakın ve PDMS'yi PDMS kaplı cam örtü sürgüsü ile iyice kapatın. Bu, polimerize katmanların alt alt tabaka üzerinde kalmasını sağlamak ve kullanıcının katmanları yukarı doğru oluşturmasına izin vermek içindir.
Numunenin üzerine bir fotoğraf maskesi yerleştirin ve düzgün bir şekilde hizalamaya dikkat edin. Ardından, numuneyi tekrar UV ışığına maruz bırakın. Maruz kaldıktan sonra, üst alt tabakayı çıkarın, daha fazla PEGDA prepolimer ekleyin ve mikrometre kafasını kullanarak alt alt tabakayı istenen seviyeye indirin.
Bu seviye, polimerize edilecek ikinci hidrojel tabakasının kalınlığına karşılık gelmelidir. Bu noktada, kuyuyu PDMS kaplı cam üst alt tabaka ile tekrar kapatın ve fotoğraf maskesini uygun şekilde hizalayın. Ardından, numuneyi UV ışığına maruz bırakın.
İstenilen sayıda hidrojel tabakası oluşturmak için bu işlemi gerektiği kadar tekrarlayın. Cihazı monte etmek ve sızdırmaz hale getirmek için önce üst PDMS kaplı kapak camını çıkarın ve bir cımbız kullanarak, dişliler ve demir katkılı bileşenler dahil olmak üzere önceden oluşturulmuş hidrojel bileşenlerini destek yapılarının üzerine yerleştirin. Cihazı kapatmak için, önce mikrometre vidalı göstergeyi kullanarak alt alt tabakayı monte edilen cihazın istenen son yüksekliğine getirin.
Bu, katmanların kalınlığını, iç bileşenleri ve hareketli bileşenler için verilen boşlukları dikkate alarak cihazın son yüksekliği olmalıdır. Ardından, işlenmemiş cam kapak kızağına yapıştırılmış önceden şekillendirilmiş hidrojel tabakasını kısmen monte edilmiş cihazın üzerine yerleştirin. Önceden oluşturulmuş katmanı, altındaki yapılara doğru şekilde hizalanacak şekilde dikkatlice yerleştirin.
Ardından, cihazın tavanına izin veren ancak iç hareketli bileşenleri UV ışınlarına maruz kalmaktan koruyan bir fotoğraf maskesi yerleştirin. Cihazın tavanını yaparken, hareketli bileşenlerin UV ışınlarına maruz kalmasını önlerken, cihazın sızdırmaz hale gelmesi için fotoğraf maskesinin uygun şekilde hizalanmasını sağlamak önemlidir. Bu, hareketli bileşenlerin destekleyici yapılar üzerine polimerize olmasını önler.
Düzgün bir şekilde hizalandıktan sonra, tüm yapıyı UV ışığına maruz bırakın. Cam kapak kızağını imalat aşamasından kaldırın. Sızdırmaz cihaz üst alt tabakaya yapışmalıdır.
Cihaz alt tabakaya yapışık kalırsa, cihazı bir çift düz uçlu cımbızla dikkatlice kaldırın. Vakumlu emme kullanarak fazla polimerize edilmemiş PEGDA'yı dikkatlice çıkarın. Ardından, bir çift düz cımbız kullanarak, cihazı cam kapak kızağından dikkatlice kaldırın.
Cihazın ve iç bileşenlerin stabilizasyonunu ve genleşmesini sağlamak için cihazı en az 30 dakika boyunca tuzlu su çözeltisine veya DI suyuna yerleştirin. Cihazı harekete geçirmek için, cihazdan bir ila iki santimetre uzakta cihazın altına veya üstüne bir neodimyum mıknatıs yerleştirin. Mıknatısı hareket ettirirken, demir oksit katkılı bileşenlerin hareketi mıknatısın hareketini gölgeleyecektir.
Bu işlevsel, tek dişli cihaz 15 dakikadan daha kısa bir sürede üretildi. Cihaz bir mıknatıs ile çalıştırılabilir ve şekil 7B, bir mıknatıs ile çalıştırıldığında demir oksit segmentinin farklı konumlarını göstermektedir. Bu strateji, çeşitli farklı türlerde hidrojel bazlı mikro cihazlar oluşturmak için kullanılabilir.
Örneğin, burada tek bir rezervuardan ilaçların salınımını kontrol eden basit bir sürgülü vana var. Demir oksit katkılı hidrojel bileşeninin doğrusal hareketi, varsayımsal bir ilacın bir çıkıştan dışarı yayılmasını sağlar. Ve burada, kapılı bir lineer manifold, ilaçların birden fazla rezervuardan salınmasını kontrol eder.
Her rezervuar varsayımsal ilaçlar içerir ve demir oksit katkılı bileşenin hareketi, ilaçların bu rezervuarlardan dışarı hareketini, bu ilaçların dışarıdan difüzyonuna izin veren bir hidrojel penceresinden geçirir. Ek olarak, Cenevre sürücüsünü temel alan sofistike bir tasarım, aralıklı hareket üretebilir. Pimli bir tahrik dişlisi, daha büyük bir tahrik dişlisine geçebilir ve tahrik dişlisinin her tam dönüşü için dişli tarafından 60 derecelik bir dönüş üretebilir.
Bu üretim stratejisi, çeşitli hidrojel bazlı cihazlar oluşturmak için çok yönlü bir yöntemdir. PEG tabanlı cihazlar oluşturmada kullanımını göstermiş olsak da, bu strateji her tür foto polimerize edilebilir hidrojel için kullanılabilir. Bu teknik, yeni nesil implante edilebilir cihazlar olduğuna inandığımız şeyi yaratır: yerleşik bir güç kaynağına ihtiyaç duymadan manyetik olarak kontrol edilebilen ve çalıştırılabilen sofistike, tamamen biyouyumlu cihazlar.
Genel Bakış
Bu makale, manyetik olarak harekete geçirilebilen hareketli bileşenlere sahip, biyouyumlu hidrojel tabanlı mikro cihazların üretimi için yeni bir eklemeli imalat stratejisi sunmaktadır. Bu yöntem, FDA onaylı PET tabanlı hidrojeller kullanılarak karmaşık cihazların hızlı ve basit bir şekilde mikro-fabrikasyonunu sağlamaktadır.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Biyomedikal Mühendisliği
- Mikrofabrikasyon
Arka Plan
- Hidrojeller, çeşitli biyomedikal uygulamalarda kullanılan çok yönlü malzemelerdir.
- Manyetik aktivasyon, cihaz bileşenlerini kontrol etmek için non-invaziv bir yöntem sağlar.
- Mevcut hidrojel üretim yöntemleri karmaşık ve zaman alıcı olabilir.
- Bu çalışma, biyoyumluluğu sağlarken üretim sürecini basitleştirmeyi amaçlamaktadır.
Çalışmanın Amacı
- Hidrojel tabanlı mikro cihazların üretimi için hızlı bir yöntem geliştirmek.
- Gelişmiş fonksiyonellik sağlamak amacıyla bu cihazların içine hareketli bileşenler entegre etmek.
- Cihazların biyouyumlu ve potansiyel insan kullanımı için uygun olduğundan emin olmak.
Kullanılan Yöntemler
- UV-çapraz bağlama kullanılarak hidrojel yapıların katman katman montajı.
- Hassas üretim için PDMS odacıkların ve fotomaskelerin kullanımı.
- Hidrojel bileşenlerinin hareketini kontrol etmek için manyetik aktivasyon.
- Üretim sonrası cihazların salin çözeltisinde stabilize edilmesi.
Temel Sonuçlar
- Entegre hareketli bileşenlere sahip hidrojel cihazlar başarıyla üretilmiştir.
- Bir mıknatıs kullanarak cihaz hareketini kontrol edebilme yeteneği gösterilmiştir.
- Cihaz üretimi 15 dakikadan daha kısa sürede gerçekleştirilmiştir.
- İlaç salınım mekanizmaları da dahil olmak üzere çeşitli cihaz tasarımları geliştirilmiştir.
Sonuçlar
- Önerilen yöntem, karmaşık hidrojel cihazların fabrikasyonunu kolaylaştırmaktadır.
- Cihazlar biyouyumludur ve çeşitli biyomedikal uygulamalar için kullanılabilirler.
- Bu strateji, duyarlı mikro cihazların geliştirilmesi için yeni yollar açmaktadır.
Sıkça Sorulan Sorular
Yönetici Endüstriyel Uygunluk
Bu eklemeli imalat tekniği, dahili güç kaynakları olmadan çalışan implantlanabilir cihaz ihtiyacını karşılayarak, manyetik olarak yanıt veren bileşenlere sahip biyouyumlu hidrojel mikro makinelerin katman katman hızlı bir şekilde üretilmesini sağlar. Süperparamanyetik demir oksit nanopartiküllerinin PEGDA hidrojellerine entegre edilmesiyle yöntem, temassız aktivasyonu ve hassas hareket kontrolünü destekleyerek erken aşama terapötik cihaz konseptleri için öngörücü bir değer sunar. Bu yaklaşım, hareketli parçalı mimarilerin tekrarlanabilir ve FDA uyumlu prototiplerinin oluşturulmasına olanak tanıyarak, ilaç iletimi ve mikroakışkan sistemlerdeki mekanik belirsizliği azaltır.
Biyofarma Ar-Ge'sinde Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: İlaç salım mekanizmalarının fiziksel olarak harekete geçirilmesi yoluyla terapötik hipotezlerin sorgulanmasına olanak tanır ve fonksiyonel okumalar aracılığıyla hedef doğrulamasını destekler.
- Operasyonel Değer: Karmaşık geliştirme süreçlerine girmeden önce biyolojik fizibiliteyi değerlendirmek amacıyla hidrojel bazlı cihazların hızlı prototiplerinin oluşturulmasını kolaylaştırır.
Tarama ve Analiz Geliştirme
- Bilimsel Değer: Mikroakışkan ortamlarda tutarlı bileşik taraması için ölçülebilir hareket eşiklerine sahip standartlaştırılmış hidrojel cihazlar üretir.
- Operasyonel Değer: UV-çapraz bağlanan katman hizalaması ve manyetik aktüasyon kontrolleri aracılığıyla analiz tekrarlanabilirliğini destekleyerek okuma ölçümlerindeki değişkenliği azaltır.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Bilimsel Değer: Sürgü vanalar ve lineer manifoldlar kullanılarak fizyolojik koşullar altında, hastalıkla ilgili ilaç salınım profillerinin test edilmesine olanak tanır.
- Operasyonel Değer: İn vivo çalışmalar öncesinde hareketli bileşenlerin iteratif tasarım iyileştirmelerine imkan vererek preklinik süreklilik için bir platform sağlar.
İş Akışı ve Boru Hattı Entegrasyonu
Bu yöntem, hipotez odaklı tasarımdan öncü bileşik tanımlamaya kadar uzanan keşif sürecine uyum sağlayarak, preklinik doğrulama öncesinde hidrojel tabanlı cihaz kavramlarının hızlı bir şekilde tekrarlanmasına olanak tanır.
- Keşif Biyolojisi: Manyetik kontrollü bileşenler aracılığıyla ilaç difüzyon hipotezlerinin fiziksel olarak test edilmesine olanak tanıyarak mekanistik risk azaltmayı destekler.
- Tarama: Bileşik değerlendirmesi için tekrarlanabilir aktivasyon ve ölçülebilir salım pencerelerine sahip, analize hazır cihazlar sunar.
- Analitikler: Karşılaştırmalı analiz için rotasyon açıları (örneğin, sürücü döngüsü başına 60°) ve doğrusal yer değiştirme eşikleri gibi ölçülebilir çıktılar üretir.
- Translasyonel Araştırma: İmplantasyon çalışmaları için uygun, biyouyumlu ve FDA onaylı PEGDA yapıları aracılığıyla preklinik çalışmalarla bağlantı kurar.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Birden fazla projede çeşitli hidrojel mikro makine tasarımları oluşturmak için yeniden kullanılabilir bir fabrikasyon platformu kurar.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Bileşen hareketinin ve manyetik kontrol altındaki ilaç salınım kinetiğinin doğrudan gözlemlenmesine olanak tanıyarak öngörüsel güveni artırır.
- Operasyonel Değer: Fotomaske kılavuzluğundaki katman üretimi ve üretim sonrası salin solüsyonunda stabilizasyon yoluyla standartlaşmayı sağlar.
- Stratejik Değer: Elektriksel güç entegrasyonu olmadan cihaz işlevselliğinin erken değerlendirilmesine izin vererek devam etme/etmeme kararlarını geliştirir.
- Portföy Etkisi: Kronik implantasyon çalışmalarına yatırım yapmadan önce hareketli parçaların mekanik güvenilirliğini doğrulayarak riskten arındırılmış ilerlemeyi destekler.
Uygulama Hususları
- Fotolitografi, hidrojel kimyası ve manyetik nanoparçacık dispersiyonu konusunda uzmanlık gerektirir.
- UV maruziyet sistemleri, mikrometre kontrollü tablalar ve PDMS hazne üretim yetenekleri gereklidir.
- Hidrojel formülasyon tutarlılığı ve fotomaske tasarım standartları konusunda ekipler arası uyum gerektirir.
- Protokolün PEGDA dışındaki diğer foto-polimerize olabilir hidrojellere aktarılması sırasında adaptasyon değerlendirmelerini içerir.
- Sızdırmazlık işlemi sırasında, istenmeyen polimerizasyonu önlemek için katkılı bileşenlerin UV maruziyetinden kaçınılması gibi pratik sınırlamaları içerir.
