التصنيع الدقيق للرقاقة الحجم السقالات لزراعة الخلايا ثلاثي الأبعاد

مرحباً، اسمي ستيفان ري. أعمل في معهد الواجهات البيولوجية، وفي المقال التالي ستشاهدون عملية تصنيع سقالة ذات بنية مجهرية تسمى chip، ونحن نستخدم طريقتين مختلفتين لإنتاج هذه الرقاقات. حالياً، نستخدم عملية كبس حراري مقترنة بعمليات لاحقة معينة، وعملية تشكيل حراري مجهري تم تطويرها مؤخراً هنا في مركز الأبحاث وتسمى Squi. نحن الآن في خيمة غرفة نظيفة، وما ترونه هنا على الجانب الأيمن هو جهاز كبس حراري مفرغ من الهواء نموذجي، ونحن نستخدم هذا الجهاز لتصنيع رقاقة خلوية ذات بنية مجهرية. أولاً، سنقوم بإدخال قالب ذو بنية مجهرية.

يتم تثبيت هذا هنا في صفيحة كهذه، ويمكنكم رؤية قالبين هنا. هذا القالب مُصنع عن طريق التشغيل الدقيق وهو مصنوع من النحاس. الآن أقوم بتركيب قالب البنية الدقيقة في الجهاز.

بالنسبة لعملية التشكيل الحراري (hotboxing)، نستخدم ألواحًا بوليمرية مثل هذه اللوحة هنا، وعادةً ما نستخدم البوليكربونات أو PMA لإنتاج شريحة الخلية. والآن، نقوم بإدخال اللوح البوليمري في الماكينة في منتصف اللوح، ثم نغلق الأداة. بعد إغلاق الماكينة، يتم تفريغ الغرفة من الهواء، ثم يتم تسخين القالب بالكامل، أو الأداة بأكملها، حتى درجة حرارة التشكيل، وبعد ذلك يُضغط البوليمر الساخن داخل القالب الذي يحتوي على البنية المجهرية.

بعد إتمام عملية القولبة هذه، يتم تبريد القالب بالكامل، وتتوفر في هذه الآلة عملية إزالة القوالب (demoing) تلقائية. وما يظهر هنا هو شريحة خلوية مقولبة تحتوي على الأجزاء المقولبة، وشريحتان خلويتان، وطبقة متبقية نموذجية نتجت عن عملية السعنة والضغط (Hot and bussing). وبعد خطوات السعنة والضغط، يجب ترقيق الطبقة المتبقية من الأجزاء ثم إزالتها بالكامل في النهاية.

للقيام بذلك، يتم تقليم الأجزاء، وهي أجزاء القالب، ثم تجميدها على لوحة التثبيت هذه. وبعد التثبيت، نقوم بطحن الطبقة المتبقية حتى نصل إلى سمك معين للجزء بحيث يتم فتح شبكة البنية المجهرية من الخلف. وخلال عملية الطحن، يتم تثبيت جدران الحاوية الدقيقة بواسطة الماء المجمد.

أخيرًا، نحصل على شريحتين خلويتين مصبوبتين تحتويان على شبكات قائمة بذاتها من حاويات MicroCon المفتوحة من كلا الجانبين في الأعلى، وفي الأسفل نقوم بعملية الربط. ثم بعد عملية التفريز، يتم ربط غشاء مسامي بالجزء الخلفي من مصفوفات حاويات MicroCon المفتوحة هذه. نحن نقوم بربط غشاء بولي كربونيت مثقب متاح تجاريًا بالجزء الخلفي من الشريحة الخلوية المفتوحة للحصول على مصفوفات حاويات ذات مسام دقيقة.

للقيام بذلك، نقوم بإدخال أغشية رقيقة من البوليمر ذات مسارات حافة في هذه الحجرة. يتراوح سمك الأغشية بنحو 10 microns، ثم نضع شريحة الخلية فوق هذه الأغشية. نقوم بعد ذلك بإغلاق هذا التجويف، وفي الخطوة الأولى يتم تفريغ الحجرة من الهواء.

بعد ذلك، نقوم بحقن المذيب المتبخر لإذابة سطح البوليمر، ومن خلال تطبيق قوة على هذه المجموعة، يتم ربط الغشاء بالشريحة الخلوية. في الخطوة النهائية، يتم تفريغ الغرفة ونقوم بإخراج الشريحة الخلوية النهائية. لقد طورنا مؤخرًا تقنية تصنيع جديدة للشريحة تعتمد على عملية التشكيل الحراري، وقد تم تكييفها لتناسب المقياس الميكروي، ولذلك أطلقنا عليها اسم التشكيل الحراري الميكروي.

من أجل تصنيع غشاء مسامي، نستخدم أغشية بولي إيثيلين تم تعريضها لإشعاع أيونات ثقيلة مسرعة. يتم ذلك بالتعاون مع مختبرات Unilog، حيث تقوم هذه الأيونات الثقيلة بإنتاج مسارات خطية في غشاء البولي إيثيلين من خلال اختراقه بالكامل. وأثناء عملية التشكيل الحراري، يتم الحفاظ على هذه المسارات الخطية لإنتاج هذه المسام.

ثم بعد عملية التشكيل حيث يتم نقش هذه المسارات اللاتينية لتحويلها إلى مسامات ذات حجم محدد. يمكنك أن ترى هنا على الجانب الأيمن الجهاز المعدل؛ وهي ماكينة كبس حراري تم تعديلها لعملية التشكيل الحراري الدقيق هذه.

تتكون الأداة بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: صفيحة علوية وصفيحة سفلية، وهما مزودتان بوصلات لضغط الغاز والتفريغ، والجزء الثالث عبارة عن غطاء.

بعد ذلك نقوم بإغلاق الأداة وننتقل إلى الخطوة الثانية. يتم تفريغ الغرفة التي تشكلها هاتان الصفيحتان والسقف. وبعد عملية التفريغ، يتم ضغط غشاء البوليمر بين هاتين الصفيحتين، ثم نقوم بتسخينه حتى الوصول إلى درجة حرارة التشكيل. عملية التشكيل.

تكون درجة الحرارة هنا في نطاق درجة حرارة الانتقال الزجاجي، مما يعني أن البوليمر ليس في حالة انصهار، بل يكون في حالة مرنة أو حالة مرونة مطاطية. في خطوة لاحقة، نقوم بتطبيق ضغط غازي. نستخدم هنا النيتروجين كغاز، ومن خلال هذا الغاز، يتم تمديد غشاء البوليمر ذو المرونة المطاطية داخل القوالب الدقيقة التي تم تفريغها مسبقاً.

بعد خطوة التشكيل هذه، يتم تبريد الأداة بالكامل ثم فتحها. وأخيراً، يتم إخراج رغوة البوليمر ذات البنية المجهرية من القالب يدوياً. وتكمن ميزة هذه العملية الجديدة في إمكانية تقليل عدد خطوات التشغيل بشكل كبير مقارنة بعملية القولبة بالحقن المجهري القياسية أو عملية النقش الحراري.

بعد التشكيل الحراري لأغشية البوليمر المكوية بكثافة، سنقوم بنقش هذه المسارات اللاتينية بشكل انتقائي لتكوين مسام ذات حجم محدد. ولتحقيق ذلك، نستخدم تجهيزة بسيطة تعتمد على وعاء زجاجي، حيث تُنقش المسارات اللاتينية باستخدام هيدروكسيد الصوديوم، مع التقليب اللطيف والتسخين حتى درجة حرارة تصل إلى حوالي 60 درجة. تستمر عملية النقش من ساعة واحدة إلى عدة ساعات للحصول على مسام بأحجام مختلفة.

لدينا الآن المنتجان النهائيان؛ شريحة الخلايا المصبوبة والساخنة مع غشاء المسام الدقيقة على ظهر شريحة الخلايا المصبوبة، وفي يدي اليسرى شريحة الخلايا المرنة ذات الجدران الرقيقة والمشكلة حرارياً. وقبل استخدامهما في زراعة الخلايا، يتم تنظيفهما وتعقيمهما عن طريق التشعيع بجاما.