ऑनबोर्ड सेंसर और एक्चुएटर्स के रूप में सुपर-अनुपालक पिकोफोर्स स्प्रिंग्स के साथ 3डी नैनोफैब्रिकेटेड सॉफ्ट माइक्रोरोबोट - नेचर नैनोटेक्नोलॉजी

चुंबकीय-लोचदार फोटोरेसिस्ट तैयारी

जब तक अन्यथा निर्दिष्ट न हो, सभी रसायन सिग्मा-एल्ड्रिच से खरीदे गए थे। इलास्टिक फोटोरेसिस्ट में क्रॉसलिंकर के रूप में यूरेथेन एक्रिलेट ऑलिगोमर 70 wt%, पॉली (एथिलीन ग्लाइकॉल) डायक्रिलेट 28.40 wt%, 1-(4-(2-(डाइमिथाइलैमिनो)एथोक्सी)फिनाइल)-2-फिनाइल-1-ब्यूटेनोन 1.5 wt शामिल है। फोटोइनिशिएटर के रूप में %, और क्वेंचर के रूप में 2,2,6,6-टेट्रामिथाइलपाइपरिडीन-1-ऑक्सिल 0.05 wt% और मिथाइल मेथैक्रिलेट 0.05 wt% का एक कॉम्प्लेक्स। मिश्रण को 30 मिनट के लिए नाइट्रोजन के साथ बुलबुला किया गया और 30 मिनट के लिए डेगास तक वैक्यूम किया गया। एमएनपी क्लासिक सह-अवक्षेपण विधि के आधार पर तैयार किए गए थे। संक्षेप में, 5.38 ग्राम FeCl₃· 6H₂O और 1.98 ग्राम FeCl₂· 4H₂O को 200 ml H में घोला गया₂O. फिर मिश्रण में 7 मिली 25% अमोनियम हाइड्रॉक्साइड डाला गया, जिसे 3 घंटे तक लगातार हिलाया गया। एकत्र किए गए कणों को फिर तीन बार पानी से धोया गया और 3 घंटे के लिए 1 डिग्री सेल्सियस पर 0.5 wt% और 80 wt% की सांद्रता पर इथेनॉल में 1- (ट्राइमेथॉक्सीसिलिल) प्रोपाइल मेथैक्रिलेट द्वारा संशोधित किया गया (रेफरी)। ²⁰). तीन बार इथेनॉल से धोने के बाद एमएनपी एकत्र किया गया। एमएनपी की दोहरी सांद्रता वाले विशेष माइक्रोटर्टल के लिए 5% या 10% की सांद्रता पर एमएनपी को इलास्टिक फोटोरेसिस्ट में मिलाकर चुंबकीय-लोचदार फोटोरेसिस्ट तैयार किया गया था। अंत में, चुंबकीय-लोचदार फोटोरेसिस्ट को एन के साथ बुलबुला किया गया₂ 30 मिनट के लिए और 30 मिनट के लिए वैक्यूम किया गया। उपयोग से पहले तैयार फोटोरेसिस्ट को हमेशा 4 डिग्री सेल्सियस पर प्रकाश से दूर रखा जाना चाहिए।

संख्यात्मक विश्लेषण

भौतिक गुणों के आधार पर सूक्ष्म संरचनाओं को कुशलतापूर्वक डिजाइन करने के लिए, निर्माण से पहले सूक्ष्म संरचनाओं के आकार में बदलाव की भविष्यवाणी करने के लिए सिमुलेशन किए गए थे। चित्र में प्रस्तुत परिणामों के लिए. 1d और 6d, और विस्तारित डेटा चित्र। 3 और 7, हमने वाणिज्यिक परिमित तत्व विश्लेषण सॉफ़्टवेयर कॉमसोल के उपयोगकर्ता-परिभाषित मल्टीफ़िज़िक्स मॉड्यूल का उपयोग किया। सभी ठोस और तरल पदार्थों को असम्पीड्य माना जाता था। यंग मापांक E ब्रैकट पिकोस्प्रिंग के यांत्रिक लक्षण वर्णन परिणामों के अनुसार, माइक्रोफोर्समीटर के लिए 0.422 एमपीए और अन्य लोचदार घटकों के लिए 1.525 एमपीए निर्धारित किया गया था। सभी सामग्रियों के लिए पॉइसन अनुपात 0.49 निर्धारित किया गया था, यह मानते हुए कि सामग्री अर्ध-असंपीड़ित है। सभी सिमुलेशन में, शुक्राणु माध्यम (एसपी-टीएएलपी) को 10 के घनत्व के साथ न्यूटोनियन तरल पदार्थ के रूप में सेट किया गया था³ किलो मी^-3 और 1 एमपीए एस की चिपचिपाहट। परिमित तत्व विश्लेषण के दौरान, लागू भार को स्थानीय समन्वय प्रणाली में चुंबकीय टोक़ के एक फ़ंक्शन के रूप में दिया गया था। चुंबकीय टोक़ T^m नरम चुंबकीय सामग्री पर लागू एक सरलीकृत फ़ंक्शन का उपयोग करके गणना की गई थी⁵¹:

जहां θ फ्लक्स घनत्व के साथ चुंबकीय क्षेत्र से कोण है B खंड के आसान चुंबकीय अक्ष तक; χ, V और μ खंड की चुंबकीय संवेदनशीलता और थोक मात्रा और पानी की चुंबकीय पारगम्यता का प्रतिनिधित्व करता है (पूरक पाठ में विवरण देखें) 2). यांत्रिकी सिमुलेशन के सीमा भार को स्थानीय समन्वय प्रणाली में लोचदार स्प्रिंग्स के क्रॉस-सेक्शन के समानांतर लागू किया गया था। चित्र में दिखाए गए माइक्रोटर्टल के फ़्लिपर्स पर लगाए गए चुंबकीय टॉर्क। 6d दो आयामों में प्रक्षेपण के रूप में फ्लिपर्स को आयताकार आकृतियों के रूप में सरल बनाकर, उपरोक्त समीकरण के अनुसार गणना की गई।

माइक्रोपेंगुइन का विश्लेषण MATLAB के साथ रनगे-कुट्टा चौथे क्रम की पुनरावृत्त विधि द्वारा हल किए गए गतिज मॉडल के साथ किया गया था। जैसा कि विस्तारित डेटा चित्र में दिखाया गया है। 6d, माइक्रोपेंगुइन फ्लिपर्स और धड़ को क्यूबॉइड के रूप में सरलीकृत किया गया था। लोचदार घटकों को रैखिक स्प्रिंग्स के रूप में सरलीकृत किया गया था। लोचदार घटक की झुकने की कठोरता विक्षेपण कोण के संबंध में संतुलित चुंबकीय टोक़ को फिट करके प्राप्त की गई थी, जिसे प्रत्येक चुंबकीय क्षेत्र में दो फ़्लिपर्स के विभिन्न कोणों के आधे के रूप में मापा जाता है। अतिरिक्त सिमुलेशन पैरामीटर पूरक पाठ में पाए जा सकते हैं 2. सिमुलेशन परिणामों का उपयोग माइक्रोस्ट्रक्चर के डिजाइन और निर्माण को निर्देशित करने के लिए किया गया था, और प्रयोगात्मक परिणामों द्वारा इसके अलावा मान्य किया गया था।

सूक्ष्म संरचना निर्माण

3डी डायरेक्ट लेजर राइटिंग सिस्टम (फोटोनिक प्रोफेशनल जीटी, नैनोस्क्राइब) का उपयोग करके माइक्रोस्ट्रक्चर तैयार किए गए थे। निर्माण के दौरान, लेजर शक्ति को सभी कठोर भागों के लिए 25.0 mW, बल-संवेदन पिकोस्प्रिंग के लिए 5.5 mW और अन्य सभी लोचदार घटकों के लिए 6.0 mW निर्धारित किया गया था, जब तक कि अन्यथा निर्दिष्ट न किया गया हो। एक्सपोज़र के बाद, सभी अनपॉलीमराइज़्ड घटकों को हटाने के लिए नमूने को 24 घंटे के लिए एसीटोन में विकसित किया गया था। जैसा कि विस्तारित डेटा चित्र में दिखाया गया है। 1a127 μl मिनट की दर से धीरे-धीरे वातावरण को गाढ़ा करने वाले पदार्थ के रूप में प्लूरोनिक एसिड F127 (PF200) के साथ एसीटोन से पानी आधारित मीडिया में बदल दिया गया।^-1 12 घंटे के लिए. उसके बाद, घोल को पिपेट द्वारा धीरे-धीरे SP-TALP से बदल दिया गया। इन ऑपरेशनों के बाद पिकोस्प्रिंग-आधारित माइक्रोस्ट्रक्चर की संरचनात्मक अभिन्नता को अच्छी तरह से बनाए रखा गया था (विस्तारित डेटा चित्र)। 1b). विशेष रूप से, माइक्रोग्रिपर प्रयोग में, एसपी-टीएएलपी को डिंबवाहिनी द्रव (0.4% मिथाइलसेलुलोज युक्त सेल मीडिया) की नकल करने वाले सेल मीडिया द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था।⁵².

माइक्रोऑसिलेटर, कॉइल-स्प्रिंग माइक्रोऑसिलेटर और माइक्रोफोर्समीटर के निर्माण के दौरान, सब्सट्रेट से माइक्रोस्ट्रक्चर के अलगाव से बचने के लिए उपयोग से पहले ग्लास सब्सट्रेट को सिलनाइज़ किया गया था। 3- (ट्राइमेथॉक्सीसिलिल) प्रोपाइल मेथैक्रिलेट का उपयोग सब्सट्रेट पर मेथैक्रिलेट टर्मिनल समूहों को जोड़ने के लिए किया गया था, जिससे ग्लास सब्सट्रेट और चुंबकीय-लोचदार फोटोरेसिस्ट के बीच एक सहसंयोजक संबंध बनता है।⁵³.

माइक्रोटर्टल के निर्माण के दौरान, एमएनपी के साथ और उसके बिना फोटोरेसिस्ट का उपयोग करके एक्सपोज़र दो बार किया गया था। सबसे पहले, धड़ को बनाने के लिए एमएनपी के बिना इलास्टिक फोटोरेसिस्ट का उपयोग किया गया था। उसके बाद, फोटोरेसिस्ट को चुंबकीय-लोचदार फोटोरेसिस्ट से बदल दिया गया। ग्लास सब्सट्रेट को एक ग्लास केशिका के साथ एक संरेखण संकेतक के रूप में चिपकाया गया था, जिसे नमूना धारक पर पहले से चिह्नित टिक लाइनों के साथ संरेखित किया गया था ताकि नमूना को पहले एक्सपोज़र के समान स्थिति में संरेखित किया जा सके। निर्मित धड़ की स्थिति के आधार पर मूल को फिर से पाया गया और संरचना कोड को निर्माण सटीकता को अधिकतम बढ़ाने के लिए धड़ के अभिविन्यास परिवर्तन के आधार पर एक विशिष्ट कोण के साथ सही किया गया। फिर फ़्लिपर्स और इलास्टिक घटकों को बनाने के लिए दूसरा प्रदर्शन किया गया।

सामग्री लक्षण वर्णन

980 एनएम के उत्तेजना लेजर और 3 एनएम के उत्सर्जन का पता लगाने पर माइक्रोफोर्समीटर की 488डी ज्यामिति प्राप्त करने के लिए एक कन्फोकल लेजर स्पेक्ट्रम माइक्रोस्कोप (ज़ीस एलएसएम 580) का उपयोग किया गया था। ImageJ का उपयोग संरचना का 3D मॉडल तैयार करने और आयामों को मापने के लिए किया गया था।

ब्रैकट की लोचदार संपत्ति को एक ऑप्टिकल ट्रैप सिस्टम (लुमिक्स सी-ट्रैप) द्वारा कैलिब्रेट किया गया था। ऑप्टिकल ट्रैप की लेजर शक्ति को कैलिब्रेट करने के लिए पांच-माइक्रोमीटर पॉलीस्टीरीन माइक्रोबीड्स का उपयोग किया गया था, जिससे कुछ लेजर शक्तियों के ट्रैपिंग बल स्थिरांक मिलते थे। माइक्रोफोर्समीटर को यथासंभव धीरे-धीरे विकृत करने के लिए माइक्रोबीड्स को खींचा गया, ताकि ड्रैग फोर्स को नजरअंदाज किया जा सके। लागू बल के संबंध में माइक्रोफोर्समीटर के झुकने वाले वक्र को माइक्रोबीड की स्थिति और ब्रैकट के विक्षेपण कोणों को रिकॉर्ड करके निर्धारित किया जा सकता है (पूरक पाठ में विवरण देखें) 1.2). माप के प्रत्येक समूह को तीन नमूनों पर दोहराया गया था। छवियों और वीडियो का विश्लेषण ImageJ के साथ किया गया और डेटा को ओरिजिनप्रो के साथ फिट किया गया। SP-TALP की चिपचिपाहट 1 mPa s के रूप में ली गई थी। 25 मेगावाट पर निर्मित कठोर भागों का यांत्रिक लक्षण वर्णन एएफएम का उपयोग करके किया गया था, जो पूरक चित्र में दिखाया गया है। 3 (पूरक पाठ में विवरण देखें 1.2).

सामग्री की चुंबकीयकरण संपत्ति को 100 एमटी तक चुंबकीय क्षेत्र के साथ कमरे के तापमान पर एक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम इंटरफेरेंस डिवाइस मैग्नेटोमीटर (स्क्विड, क्वांटम डिजाइन) द्वारा चित्रित किया गया था। नमूने 8,848 माइक्रोमीटर की लंबाई और 15 माइक्रोमीटर के अनुभागीय क्षेत्र के साथ 16 आयताकार ठोस पदार्थों की एक श्रृंखला के रूप में तैयार किए गए थे।². ओरिजिनप्रो सॉफ्टवेयर का उपयोग करके लागू क्षेत्र के संबंध में चुंबकत्व को फिट करके, वॉल्यूम संवेदनशीलता की गणना 0.1220 के रूप में की गई थी।

माइक्रोफोर्समीटर द्वारा प्रणोदन बल माप

शुक्राणु-मोटर माइक्रोट्यूब, ट्यूबलर माइक्रोजेट और माइक्रोहेलिस सभी टीपीएल द्वारा फोटोरेसिस्ट के रूप में आईपी-डीआईपी का उपयोग करके निर्मित किए गए थे। एक्सपोज़र के बाद, नमूनों को एमआर-डेव 20 (माइक्रो रेजिस्टेंस) में 600 मिनट के विकास के बाद एक महत्वपूर्ण बिंदु ड्रायर में सुखाया गया और आइसोप्रोपेनॉल से तीन बार धोया गया। Fe (10 nm)/Ti (5 nm) की धातु परतें स्पटरिंग द्वारा शुक्राणु-मोटर माइक्रोट्यूब और माइक्रोहेलिस पर लेपित की गईं। ई-बीम जमाव द्वारा ट्यूबलर माइक्रोजेट पर Fe (10 एनएम)/Ti (5 एनएम)/Pt (10 एनएम) की परतें लेपित की गईं। पहले बताए गए प्रोटोकॉल का पालन करते हुए गोजातीय शुक्राणु तैयार किए गए थे². उपयोग से पहले सभी नमूनों को 127 घंटे के लिए पीएफ1 समाधान (0.5%) में उपचारित किया गया था। शुक्राणु-मोटर्स का माप माइक्रोफोर्समीटर कक्ष में 1 मिलीलीटर एसपी-टीएएलपी के साथ किया गया था जिसमें लगभग 10 थे³ माइक्रोट्यूब और 10⁴ शुक्राणु। शुक्राणु-मोटर का निर्माण तब हुआ जब एक शुक्राणु यादृच्छिक रूप से तैरते हुए एक माइक्रोट्यूब में बाधित हो गया। शुक्राणु-मोटर को तब लगभग 2 mT पर बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा माइक्रोफोर्समीटर की क्रिया पट्टी की ओर निर्देशित किया गया था। ब्रैकट विरूपण पर चुंबकीय टोक़ के प्रभाव से बचने के लिए, चुंबकीय क्षेत्र को एक्शन बार पर लंबवत रूप से समायोजित किया गया था। माइक्रोजेट्स का माप 1% एच युक्त एसपी-टीएएलपी में किया गया था₂O₂ और 0.1% सोडियम डोडेसिल सल्फेट। लगभग 20 माइक्रोजेट जोड़े गए और शुक्राणु-मोटर्स की तरह ही निर्देशित किए गए। चुंबकीय सक्रियण के लिए 10 हर्ट्ज पर 40 एमटी के घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र को लागू करके माइक्रोहेलिस का मापन किया गया था। प्रणोदन बल, यानी, लोचदार बल जब शुक्राणु-मोटर गति शून्य होती है, माइक्रोजेट के प्रणोदन बल को छोड़कर, माइक्रोफोर्समीटर के अंशांकन वक्र में रैखिक प्रक्षेप द्वारा गणना की गई थी, जो परिमित तत्व विश्लेषण सिमुलेशन वक्र से प्राप्त किया गया था लघु माइक्रोफोर्समीटर का। जब तक अन्यथा निर्दिष्ट न हो, सभी माप 37 डिग्री सेल्सियस पर किए गए। इमेजजे और ओरिजिनप्रो द्वारा वीडियो और डेटा का विश्लेषण किया गया। अंजीर में माइक्रोफोर्समीटर अंशांकन वक्र में प्रक्षेप द्वारा लोचदार बलों की गणना की गई। 3 सी, डी.

माइक्रोग्रिपर का चुंबकीय नियंत्रण

चुंबकीय सक्रियण एक विद्युत चुंबक प्रणाली (मैग्नेबोटिक्स एमएफजी 100-आई) द्वारा किया गया था। समय-अनुक्रमिक चुंबकीय क्षेत्र को डिज़ाइन करके उत्पन्न किया गया था B_x, B_y और B_z टुकड़े-टुकड़े कार्यों के साथ। मीडिया बदलने की प्रक्रिया के बाद, माइक्रोरोबोट और माइक्रोग्रिपर नमूनों को 5 मिनट के लिए अल्ट्रासोनिक स्नान में उपचारित किया गया। फिर एक 100 μl पिपेट का उपयोग मीडिया के साथ नमूनों को धीरे से उड़ाने के लिए किया गया ताकि सिलनीकरण के बिना सब्सट्रेट से सूक्ष्म संरचनाओं को पूरी तरह से अलग किया जा सके। माइक्रोरोबोट्स के प्रयोगों में, नमूनों को सीधे एसपी-टीएएलपी में फैलाया गया और चुंबकीय क्षेत्र में संचालित किया गया। माइक्रोग्रिपर के प्रयोगों में, नमूना समाधान को पहले से तैयार माइक्रोऑब्जेक्ट्स (माइक्रोबीड्स और माइक्रोक्लॉट्स) के साथ जोड़ा गया था। माइक्रोबीड का नमूना लगभग 5 पर 10 माइक्रोन पॉलीस्टाइन माइक्रोबीड्स को सीधे फैलाकर प्राप्त किया गया था³ ml^-1 जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 4सी,एफ. प्रोटीन-आधारित माइक्रोक्लॉट्स को माइक्रोइमल्शन विधि का उपयोग करके गोजातीय सीरम एल्ब्यूमिन के साथ संश्लेषित किया गया था जैसा कि पहले बताया गया था². डिंबवाहिनी-द्रव-नकल समाधान द्रव के विस्कोलेस्टिक गुण की नकल करने के लिए 0.4% मिथाइलसेलुलोज युक्त हेला सेल मीडिया के आधार पर तैयार किया गया था। रोलिंग तरीके से माइक्रोग्रिपर की गति के लिए घूर्णनशील चुंबकीय क्षेत्र लागू किए गए थे और ग्रिपर बाल्टी को खोलने के लिए समान चुंबकीय क्षेत्र लागू किए गए थे। वीडियो और डेटा को ImageJ और OriginPro के साथ प्रबंधित किया गया।

हेला कोशिकाओं में हेरफेर करने के बाद, लक्ष्य कोशिका को फ्लोरेसिन डायसेटेट और प्रोपिडियम आयोडाइड युक्त एक जीवित/मृत स्टेनिंग किट द्वारा दाग दिया गया था। 10 मिनट की ऊष्मायन अवधि के बाद, जीवित कोशिकाओं के लिए 470 एनएम (उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य 530 एनएम) और मृत कोशिकाओं (उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य 540 एनएम) के लिए 618 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर उत्तेजना का उपयोग करके मल्टी-चैनल प्रतिदीप्ति छवियां कैप्चर की गईं। इसके बाद, लक्ष्य हेला सेल को अतिरिक्त 4 घंटे के लिए माइक्रोग्रिपर की बाल्टी के अंदर संवर्धित किया गया। फिर हेला सेल को एक आयताकार प्रक्षेपवक्र के साथ ले जाने के लिए दूसरा हेरफेर किया गया। इस हेरफेर के बाद, प्रतिदीप्ति छवियां एक बार फिर हासिल की गईं। हेरफेर के बाद लक्ष्य कोशिका की हरी प्रतिदीप्ति की उपस्थिति ने संकेत दिया कि माइक्रोग्रिपर का हेरफेर के दौरान कोशिका की व्यवहार्यता पर कोई प्रतिकूल प्रभाव नहीं पड़ा, इसके विपरीत, बेतरतीब ढंग से मृत कोशिकाओं में देखी गई लाल प्रतिदीप्ति। सेल ओरिएंटेशन का नियंत्रण चित्र में दिखाया गया है। 4g माइक्रोग्रिपर द्वारा सेल क्लस्टर को पकड़ने के बाद लागू चुंबकीय क्षेत्र वेक्टर की दिशा को बदलकर लागू किया गया था। 6 mT का एक समान चुंबकीय क्षेत्र लागू किया गया था +x सेल क्लस्टर के प्रारंभिक अभिविन्यास को पकड़ने और परिभाषित करने की दिशा। में सेल ओरिएंटेशन बदलने के लिए x-y (यॉ) या x-z (पिच) समतल, चुंबकीय क्षेत्र वैक्टर को बस साथ घुमाया गया था z or y मांग पर किसी भी डिग्री से कुल्हाड़ियाँ। में सेल ओरिएंटेशन बदलने के लिए y-z समतल (रोल), 2 एमटी और 20 हर्ट्ज पर एक और घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र लागू किया गया था। में सेल क्लस्टर का ओरिएंटेशन y-z घूर्णनशील चुंबकीय क्षेत्र के घूर्णन अक्ष को बदलकर विमान को बदल दिया गया, जबकि 6 mT का एकसमान चुंबकीय क्षेत्र साथ रखा गया +x एक्सिस।

माइक्रोपेंगुइन और माइक्रोटर्टल का चुंबकीय नियंत्रण

समय-सममित गति वाले माइक्रोरोबोट कम रेनॉल्ड्स संख्या पर शुद्ध विस्थापन प्राप्त नहीं कर सकते हैं⁵⁴. समय समरूपता को तोड़ने की एक कुशल रणनीति मॉर्फिंग के दौरान माइक्रोरोबोट के अभिविन्यास को पुनर्प्राप्ति के दौरान उसके अभिविन्यास से अलग बनाना है। एक प्रदर्शन के रूप में, हम माइक्रोपेंगुइन को नियंत्रित करने के लिए एक ओरिएंटेशन-स्विचिंग रणनीति लागू करते हैं। विस्तारित डेटा चित्र. 6a जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, 9 एस की चक्र अवधि के साथ चुंबकीय क्षेत्र के अनुक्रम को दर्शाता है। 6a: 0-1 एस, 16 एमटी का एक समान चुंबकीय क्षेत्र लागू किया गया था x अक्ष (चरण 1-2); 1-1.5 सेकेंड, 16 एमटी का घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र y एक्सिस; 1.5-2.5 s, 2 mT का एकसमान चुंबकीय क्षेत्र z अक्ष (चरण 2-3); 2.5-4.5 सेकेंड, 2 एमटी का घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र y एक्सिस; 4.5-5.5 s, 16 mT का एकसमान चुंबकीय क्षेत्र x अक्ष (चरण 3-4); 5.5-6 सेकेंड, 16 एमटी का घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र y एक्सिस; 6-7 s, 2 mT का एकसमान चुंबकीय क्षेत्र z अक्ष (चरण 4-1); 7-9 सेकेंड, 2 एमटी का घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र y एक्सिस। 9 सेकंड के चक्र के बाद, माइक्रोपेंगुइन अपने मूल अभिविन्यास को पुनः प्राप्त करता है और इसके साथ शुद्ध विस्थापन प्राप्त करता है x एक्सिस। विस्तारित डेटा चित्र. 6b अधिक कुशल तैराकी तरीके से माइक्रोपेंगुइन की 5.5 सेकंड की चक्र अवधि के साथ चुंबकीय क्षेत्र अनुक्रम दिखाता है। इस मामले में, समान और घूर्णन चुंबकीय क्षेत्रों को मिश्रित किया गया, जिससे एक साथ माइक्रोपेंगुइन घूर्णन और फ़्लिपर खोलना और बंद करना संभव हो गया।

ओरिएंटेशन-स्विचिंग नियंत्रण रणनीति का एक नुकसान पूरे रोबोट का सहवर्ती रोटेशन है, शुद्ध विस्थापन उत्पन्न करने के लिए लोचदार माइक्रोरोबोट्स के लिए इसकी सार्वभौमिक प्रयोज्यता के बावजूद। अमानवीय चुंबकीयकरण के साथ माइक्रोरोबोट के विभिन्न चल भागों को चलाने वाले पिकोस्प्रिंग्स के एक सेट का उपयोग करके इस रोटेशन से बचा जा सकता है, उदाहरण के लिए, माइक्रोटर्टल। विस्तारित डेटा चित्र. 7a परिमित तत्व विश्लेषण सिमुलेशन परिणाम दिखाता है, जो चुंबकीय क्षेत्र की सबसे कुशल दिशाओं को खोजने में मदद करता है। अंतिम नियंत्रण रणनीति का चुंबकीय क्षेत्र अनुक्रम विस्तारित डेटा चित्र में दिखाया गया है। 7b. अलग-अलग फ्लिपर्स को नियंत्रित करने वाले बाएं और दाएं जोड़े पिकोस्प्रिंग्स के समन्वित सक्रियण और बफरिंग कार्यों के कारण माइक्रोटर्टल के लिए शुद्ध विस्थापन उत्पन्न करने के लिए केवल समान चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है। तब माइक्रोटर्टल को केवल दो आयामों में चलने के लिए नियंत्रित किया गया था x-y बिना किसी घूर्णन या विस्थापन वाला समतल z अक्ष: 0-1 सेकंड, 2° के अनुदिश 15 एमटी (सकारात्मक के रूप में वामावर्त दिशा) दिशा +y दिशा (सूक्ष्म कछुए की सममित धुरी); 1-1.5 सेकंड, -2° के अनुदिश 75 एमटी +y; 1.5-2.5 सेकंड, -16° के साथ 105 एमटी +y; 2.5-3 सेकंड, 2 एमटी साथ में +y. माइक्रोरोबोट्स के सभी लोकोमोशन प्रयोग 25 डिग्री सेल्सियस पर पीबीएस में किए गए। माइक्रोटर्टल में एमएनपी की दोगुनी सांद्रता होती है जिसे 0.8 सेकेंड की साइकिलिंग अवधि (विस्तारित डेटा चित्र) के साथ नियंत्रित किया गया था। 8) 0-0.25 सेकेंड, 0.25-0.4 सेकेंड, 0.4-0.7 सेकेंड और 0.7-0.8 सेकेंड के तुलनीय चरण खंडों के साथ।

जैव अनुकूलता मूल्यांकन

हेला कोशिकाओं का उपयोग माइक्रोमशीनों, विशेष रूप से माइक्रोग्रिपर सरणियों की जैव अनुकूलता का आकलन करने के लिए किया गया था। संक्षेप में, निर्मित माइक्रोग्रिपर सरणियों के 7 नमूने 6-वेल प्लेटों के सेल कल्चर कुओं में रखे गए और 3 मिलीलीटर कल्चर मीडिया से भरे गए। नियंत्रण समूह के कुएं केवल कोशिका मीडिया से भरे हुए थे। प्रत्येक कुएं में लगभग 10 बीज बोए गए थे⁵ हेला कोशिकाएं. 48 घंटे के ऊष्मायन के बाद, माइक्रोग्रिपर समूह से 1 और नियंत्रण समूह से 1 कुएं को फ्लोरेसिन डायसेटेट (5 मिलीग्राम मिलीलीटर ) युक्त जीवित/मृत धुंधला किट का उपयोग करके सीधे दाग दिया गया।^-1 एसीटोन में) और प्रोपिडियम आयोडाइड (1 मिलीग्राम एमएल^-1 पीबीएस में)। जीवित कोशिकाओं के लिए 470 एनएम (उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य 530 एनएम) और मृत कोशिकाओं (उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य 540 एनएम) के लिए 618 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर उत्तेजना के तहत प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी (सेल ऑब्जर्वर, कार्ल जीस माइक्रोस्कोपी) का उपयोग करके मल्टी-चैनल प्रतिदीप्ति छवियां ली गईं। 72 घंटे ऊष्मायन के बाद, कोशिकाओं के शेष 12 कुओं को ट्रिप्सिनाइज़ किया गया, दाग दिया गया और प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप के तहत गिना गया। सेल व्यवहार्यता की गणना कुल सेल गिनती के लिए जीवित कोशिकाओं (हरा) की संख्या के अनुपात के रूप में की गई थी।

सांख्यिकी और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता

नमूना आकार को पूर्व निर्धारित करने के लिए किसी सांख्यिकीय पद्धति का उपयोग नहीं किया गया था। विश्लेषण से कोई भी डेटा बाहर नहीं रखा गया। ऑपरेशन से पहले कोशिकाओं और निर्मित नमूनों को यादृच्छिक रूप से संबंधित समूहों को सौंपा गया था। जांचकर्ताओं को प्रयोगों और परिणाम मूल्यांकन के दौरान आवंटन पर ध्यान नहीं दिया गया।

रिपोर्टिंग सारांश

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• स्रोत: https://www.nature.com/articles/s41565-023-01567-0