Mikrocentrifūga Atvērtas izcelsmes biomedicīnas ierīce: 11 soļi

2025 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2025-01-23 14:59

Šis ir nepārtraukts projekts, kas tiks atjaunināts ar sabiedrības atbalstu un turpmākiem pētījumiem un instrukcijām

Šī projekta mērķis ir izveidot atvērtas, modulāras laboratorijas iekārtas, kuras ir viegli transportējamas un izgatavotas no lēti iegūtām detaļām, lai palīdzētu diagnosticēt slimības attālos un zemas infrastruktūras apgabalos

Šis būs nepārtraukts atklātu avotu projekts, kura mērķis ir nodrošināt modulāru platformu medicīnas ierīcēm, kuras var viegli modificēt un paplašināt par zemām izmaksām

Sākotnējais dizains būs paredzēts moduļu akumulatoram un līdzstrāvas motoru blokam, kā arī mikrocentrifūgai

Tā meklēs tiešsaistes atvērtā pirmkoda kopienas palīdzību, lai palīdzētu ar atbalstu, pārveidošanu un turpmāku dizainu, lai apmierinātu individuālās veselības aprūpes darbinieku vajadzības attālos un lauku reģionos

ATRUNA: Projekts joprojām tiek testēts un tiek pārbaudīts, un tas vēl nav piemērots jebkādai diagnostikai vai klīniskai lietošanai. Elektronika un motori ir jāsamontē un jāizmanto uz lasītāju paša riska

1. darbība: paziņojumi par problēmām un dizainu

Paziņojums par problēmu:

Piekļuves trūkums laboratorijas un klīniskajam aprīkojumam, lai palīdzētu diagnosticēt un ārstēt slimības, noved pie daudzu cilvēku nāves novēršanas attālos un zemas infrastruktūras apgabalos. Konkrētāk, piekļuves trūkums uzticamām pamata centrifūgām atņem veselības aprūpes darbiniekiem svarīgu līdzekli cīņā pret ar asinīm pārnēsājamiem patogēniem, piemēram, AIDS un malāriju.

Dizaina paziņojums: Izstrādāt mikrocentrifūgu, modulāru akumulatoru un līdzstrāvas motoru komplektu, lai palīdzētu diagnosticēt un ārstēt slimības, ko izraisa asins izraisītas patoloģijas (patogēni un parazīti). Izmantojot piedevu ražošanas paņēmienus, kur tas ir dzīvotspējīgi, šī dizaina mērķis ir uzlabot dzīvības glābšanas tehnoloģiju pārnesamību un samazināt ekonomiskos šķēršļus.

2. darbība: projektēšanas pamatojums:

Šī dizaina mērķis ir ražot mikrocentrifūgu, kas piemērota nomaiņai lauku apvidos, izmantojot darbvirsmas FDM 3D drukāšanu, griešanu ar lāzeru un hobija klases elektroniku. To darot, ir cerība, ka ierīce būs pieejama visdažādākajiem veselības aprūpes speciālistiem ar atšķirīgu piekļuvi resursiem.

Izstrādājot centrifūgas rotoru (konstrukcijas daļa, kurā ir mēģenes):

Paraugu atdalīšanai nepieciešamais G spēks ir atkarīgs no vēlamā parauga veida, un vidējais spēks asiņu atdalīšanai sastāvdaļās ir 1 000–2 000 g (thermofisher.com)

RPM aprēķinu līdz RFC (G spēks) var aprēķināt, izmantojot RCF = (apgr./min) 2 × 1,118 × 10-5 × r, kur “r” ir rotora rādiuss (bcf.technion.ac.il)

3. darbība: dizaina apsvērumi

Papildu ražošanas apsvērumi:

• Var rasties slikta slāņa saķere, kā rezultātā var būt slikta stiepes izturība un daļas bojājumi

• Nepieciešamās īpašības var atšķirties atkarībā no materiāla. Daži piedāvā labu sānu deformāciju un kompresijas izturību par mazu svaru un izmaksām

• Lai nodrošinātu vēlamo materiāla īpašību sasniegšanu, G-koda sagriešanas laikā jāpiemēro pareizi iestatījumi

• Daļu, kas ražotas, izmantojot šo tehniku, ilgmūžība ir salīdzinoši zema, salīdzinot ar tām detaļām, kurās tiek izmantotas dārgākas metodes un materiāli, piemēram, CNC frēzmetāli.

• Termoplastikām ir salīdzinoši zema pārejas temperatūra, tāpēc ir jāuztur zema darba temperatūra (<aptuveni 80-90 ° C). • Atklātas 3D drukātas konstrukcijas ļaus lietotājiem mainīt dizainu atbilstoši savām vajadzībām un ierobežojumiem

Citi dizaina ierobežojumi:

• Dažos apgabalos var nebūt pietiekama piekļuve strāvas avotam, tie var būt jāapstrādā ar vienkāršu pārnēsājamu saules enerģiju, baterijām utt.

• Vibrācija un līdzsvars var būt problēma

• Jāspēj izvadīt lielu apgriezienu skaitu līdz 15 minūtēm vai ilgāk, kā rezultātā dažām detaļām rodas liels mehāniskais spriegums

• Lietotāji var nebūt pieredzējuši aprīkojuma lietošanā, un viņiem būs nepieciešams atbalsts tehniskās barjeras pazemināšanai

4. solis: sākotnējais/bāzes moduļa dizains

Iepriekš minētais dizains vislabāk izmanto telpu, lai nodrošinātu pietiekamu vietu iekšējām elektroniskajām sastāvdaļām, un nodrošina pietiekami lielu rādiusu dažādiem centrifūgas rotoriem un cauruļu izmēriem. Dizaina stils “saliek kopā” ir izvēlēts tā, lai ražošanas laikā nebūtu nepieciešams palīgmateriāls un lai būtu viegli drukāt, salabot un izgatavot gan piedevu, gan atņemšanas ražošanā. Turklāt, drukājot mazākas atsevišķas detaļas, samazināsies drukas kļūmju/kļūdu ietekme un tiks izmantots lielāks drukas gultas izmēru klāsts.

Izmantojot moduļu konstrukcijas priekšrocības, ierīcei var pievienot daudz dažādu veidu centrbēdzes bļodas. Šo detaļu ātra pārveidošana un ražošana, izmantojot piedevu ražošanu, ļauj mainīt saražoto G spēku un apstrādātā parauga lielumu/veidu. Tas dod tai priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām mašīnām un nodrošina novatorisku pieeju mašīnu projektēšanai atbilstoši galalietotāja vajadzībām. Turklāt balasta konteineri nodrošina iespēju pievienot atbalstu un mazināt vibrāciju

5. solis: detaļu saraksts

3D drukātās daļas: faili tiks augšupielādēti Github un thingiverse un atjaunināti pēc iespējas ātrāk.

• 1 x vārpstas skrūve
• 1 x rotora uzgrieznis
• 1 x vāka uzgrieznis
• 1 x galvenais vāks
• 4 x rotora korpuss
• 1 x fiksēta leņķa rotors
• 4 x augšējais/apakšējais balasts
• 2 x sānu balasts

Elektronika: (saites uz produktiem drīzumā)

Arduino Nano (8-10 ASV dolāri)

Savienotāju vadi (<0,2 ASV dolāri)

Elektroniskais ātruma regulators ($ 8-10)

Bezsuku līdzstrāvas motors 12V ($ 15-25)

Potenciometrs (0,1 USD)

Li-po uzlādējams akumulators (15-25 ASV dolāri)

6. darbība: detaļu drukāšana:

Visas detaļas ir pieejamas vietnē github: pieejams arī vietnē thingiverse šeit:

3D drukātās detaļas: 1 x vārpstas skrūve

1 x rotora uzgrieznis

1 x vāka uzgrieznis

1 x galvenais vāks

4 x rotora korpuss

1 x fiksēta leņķa rotors

4 x augšējais/apakšējais balasts

2 x sānu balasts

Vispārējie uzmetuma iestatījumi no Cura vai līdzīgi izvēlētajā griezēja programmatūrā ir labs vadlīnijas visu ķermeņa un balasta daļu drukāšanai.

7. solis: montāža: pirmais solis

• Sagatavojiet montāžai šādas detaļas, kā parādīts attēlā:

  • Centrifūgas pamatne
  • Sastāvdaļas korpuss
  • 4 x rotora korpuss
• Visām detaļām jābūt cieši pieguļošām un jānostiprina ar atbilstošu līmi

8. darbība: montāža: elektroniskie komponenti

Testēšanai sagatavojiet šādus elektroniskos komponentus:

• Līdzstrāvas motors un ECS
• Akumulators
• Arduino Nano
• Maizes dēlis
• Potenciometrs
• Jumper vadi

Arduino kodēšanu un instrukcijas var atrast šeit:

Raksta autors:

Pārbaudes motors darbojas vienmērīgi un reaģē uz potenciometru. Ja tā ir, tad ievietojiet elektroniku korpusā un pārbaudiet, vai motors darbojas vienmērīgi un ar nelielu vibrāciju.

Drīz tiks pievienoti attēli ar precīzu izvietojumu.

9. darbība: montāža: rotora un vērpšanas skrūves piestiprināšana

Savāc rotoru, veltņus, vērpšanas un vērpšanas uzgriežņus.

Pārliecinieties, ka visas detaļas ir labi pieguļošas. Slīpēšana var palīdzēt, ja stiprinājums ir pārāk saspringts.

Pārliecinieties, ka rotoram ir gluds ceļš un tas pārmērīgi neizlaiž vai svārstās. Plakanu trauku var izdrukāt vai izgriezt no akrila, lai vajadzības gadījumā veicinātu stabilitāti.

Kad detaļas ir slīpētas un pielīmētas, pieskrūvējiet skrūvi pie motora vārpstas un nostipriniet rotoru ar uzgriežņiem, kā parādīts attēlā.

Rotoru var noņemt, lai izkrautu un ielādētu paraugus vai mainītu rotora tipus.

10. darbība: montāža: balasts un vāki

Savāc augšējā un sānu balasta konteinerus, tie darbosies kā balsts, svars un vibrāciju slāpētājs.

Daļām jābūt saspiestām un jāpaliek vietā, kad tās ir piepildītas. Ja nepieciešams, detaļas var nostiprināt kopā ar superlīmi vai līdzīgu līmi.

Galvenajam vākam virs rotora jābūt cieši pieguļošam, kad to piestiprina ar augšējo rotora uzgriezni.

Daļām jāatbilst, kā parādīts attēlā.

11. solis. Secinājums

Attālinātas atrašanās vietas veselības aprūpes darbinieki saskaras ar ekonomisko un loģistikas šķēršļu problēmu, kas saistīta ar svarīgu medicīnisku un diagnostisku ierīču un detaļu iegādi un uzturēšanu. Piekļuves trūkums pamatiekārtām, piemēram, centrifūgām un sūkņu sistēmām, var izraisīt nāvējošu gaidīšanas laiku un kļūdainu diagnozi.

Šis dizains ir sasniedzis vēlamo rezultātu, parādot, ka ir iespējams izveidot atvērtas izcelsmes medicīnisko ierīci (mikrocentrifūgu), izmantojot galddatoru ražošanas metodes un pamata elektroniskās sastāvdaļas. To var ražot par desmito daļu no komerciāli pieejamo mašīnu izmaksām, un to var viegli salabot vai izjaukt, lai detaļas varētu izmantot citās ierīcēs, samazinot ekonomiskos šķēršļus. Elektroniskie komponenti nodrošina nemainīgu uzticamu jaudu uz laiku, kas nepieciešams, lai apstrādātu visbiežāk sastopamos asins paraugus, nodrošinot labāku diagnostiku nekā ar roku darbināmas vai izplūdes ierīces zemas infrastruktūras zonās. Šīs konstrukcijas iespējamībai ir nākotnes potenciāls, izstrādājot modulāru atvērtu avotu medicīnas ierīču platformu, izmantojot galveno sastāvdaļu komplektu, lai darbinātu dažādas iekārtas, piemēram, peristaltiskos sūkņus, vai, kā šajā konstrukcijā, mikrocentrifūgas. Izveidojot atvērtu avotu failu bibliotēku, piekļuvi vienam FDM printerim varētu izmantot, lai ražotu dažādas detaļas, un gala lietotājam nav vajadzīgas nelielas zināšanas par dizainu. Tas novērstu loģistikas problēmas, kas saistītas ar pamatkomponentu piegādi, ietaupot laiku un dzīvības.