Zemu izmaksu bioprinteris: 13 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:54

Mēs esam UC Davis pētnieku komanda, kuru vada jaunieši. Mēs esam daļa no BioInnovation Group, kas darbojas TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (padomnieki Dr. Marc Facciotti un Andrew Yao, M. S.). Laboratorijā pulcējas studenti ar dažādu pieredzi, lai strādātu pie šī projekta (mech/ķīmiskā/biomedženierija).

Neliels priekšstats par šo projektu ir tas, ka mēs kopā ar Dr Karen McDonald no ChemE nodaļas sākām drukāt sadarbībā esošas rīsu šūnas ar mērķi izstrādāt zemu izmaksu bioprinteru, lai bioprintēšana būtu pieejamāka pētniecības iestādēm. Pašlaik zemas klases bioprinteri maksā aptuveni 10 000 USD, savukārt augstākās klases bioprinteri maksā aptuveni 170 000 USD. Turpretī mūsu printeri var izgatavot par aptuveni 375 USD.

Piegādes

Daļas:

1. Rampas 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Stepper motoru draiveri:
4. Papildu soļu motors (pēc izvēles)
5. Izgatavotāja stars 2 x X 1 collas
6. Ražotāja staru stiprinājuma aparatūra
7. Dažādu izmēru M3 skrūves
8. M3 uzgriežņi x2
9. 8 mm vītņots stienis
10. 8 mm uzgrieznis
11. 608 gultnis
12. Saistīšanas klips
13. Kvēldiegs
14. Monoprice V2
15. Zip saites
16. M3 termoregulācijas uzgriežņi 2 mm platumā

Rīki:

1. Dažādu izmēru urbji
2. Rokas urbis
3. Urbšanas prese
4. Zāģis
5. Lodāmurs + lodēt
6. Stiepļu noņēmējs
7. Adatu deguna knaibles
8. Dažādu izmēru sešstūra atslēgas

Laboratorijas piederumi:

1. Petri trauki ~ 70 mm diametrā
2. 60 ml šļirce ar Luer-lock galu
3. 10 ml šļirce ar Luer-lock galu
4. Luer-lock piederumi
5. Caurules armatūrai
6. T Cauruļu savienotājs
7. Centrifūga
8. Centrifūgas mēģenes 60 ml
9. Mērogs
10. Nosveriet laivas
11. Autoklāvs
12. Vārglāzes
13. Graduēts cilindrs
14. 0,1 M CaCl2 šķīdums
15. Agaroze
16. Algināts
17. Metilceluloze
18. Saharoze

Programmatūra:

1. Fusion 360 vai Solidworks
2. Arduino IDE
3. Repetier saimnieks
4. Ultimaker Cura 4

1. darbība: 3D printera izvēle

Par sākuma 3D printeri izvēlējāmies Monoprice MP Select Mini 3D printeri V2. Šis printeris tika izvēlēts tā zemo izmaksu un augstās pieejamības dēļ. Turklāt jau bija pieejams ļoti precīzs printera 3D modelis, kas atviegloja projektēšanu. Šī pamācība tiks pielāgota šim konkrētajam printerim, taču līdzīgu procesu var izmantot, lai pārveidotu citus izplatītākos FDM printerus un CNC iekārtas.

Augstas precizitātes modelis:

2. darbība: 3D drukāšana

Pirms Monoprice printera izjaukšanas 3D printera modifikācijai ir jāizdrukā vairākas detaļas. Pastā ir pastas ekstrūderu versijas - viena, kurai nepieciešams epoksīdsveķis, un otra, kurai nav. Tas, kam nepieciešams epoksīdsveiksme, ir kompakts, bet grūtāk saliekams.

3. darbība: sagatavojiet printeri modifikācijai

Ir jānoņem priekšējais torņa panelis, apakšējais vāks un vadības panelis. Kad apakšdaļa ir noņemta, atvienojiet visu elektroniku no vadības paneļa un noņemiet vadības paneli.

4. solis: maināms stiprinājums

Katram korpusam 1 un korpusam 14 ir nepieciešami divi termiski nostiprināti uzgriežņi. Korpuss 1 ir piestiprināts pie printera rāmja ar divām M3 skrūvēm, kas paslēptas zem jostas. Skrūves var atklāt, noņemot jostas spriegotāju un velkot jostu uz vienu pusi.

5. solis: Z ass slēdzis

Z ass slēdzis tiek pārvietots tā, lai izvietošanas secības laikā varētu izmantot jebkura garuma adatu, nekompensējot programmatūrā. Slēdzis ar 2 M3 skrūvēm jāpiestiprina pie printera korpusa tieši zem drukas galviņas pēc iespējas tuvāk drukas gultnei.

6. darbība: elektroinstalācija

Elektroinstalācija tiek veikta saskaņā ar Ramps 1.4 standartiem. Vienkārši sekojiet elektroinstalācijas shēmai. Nogrieziet un alvas vadus pēc nepieciešamības spaiļu blokiem. Dažus vadus var būt nepieciešams pagarināt.

7. solis: epoksīda ekstrūderis

Lai gan šī ekstrūdera drukāšanai nepieciešams mazāk laika, tas izmanto epoksīdu, kas palielina kopējo izgatavošanas laiku līdz vairāk nekā 24 stundām. 8 mm vītņstieņa epoksīds jāpiestiprina pie gultņa 608, un gultnis jāpoksē ar 3D drukāto gabalu Korpuss 21. Turklāt vītņotā stieņa uzgrieznis ir jāpoksē pie korpusa 40. Kad epoksīdsveiksme ir pilnībā sacietējusi, gumija uzgaļus no 60 ml un 10 ml šļirces virzuļiem var uzstādīt attiecīgi virs korpusa 9 un korpusa 21. Atbilstošu T stiprinājumu nevarēja atrast, tāpēc neapstrādāts tika izgatavots no 6 mm misiņa caurulēm un lodēšanas. Ekstrūderis darbojas kā hidrauliska sistēma, kas izstumj Bioink no 10 ml šļirces apakšējās kameras. Gaisu var izvadīt no sistēmas, enerģiski kratot caurules, turot T stiprinājumu augstākajā punktā.

8. solis: regulārs ielīmēšanas ekstrūderis

Šo ekstrūderi var vienkārši pieskrūvēt kopā. Šī ekstrūdera negatīvie momenti ir tas, ka tas ir apjomīgāks un tam ir augsta pretestība.

9. darbība: 9. darbība: Arduino programmaparatūra

Arduino ir nepieciešama programmaparatūra, lai palaistu pakāpju draiverus un citu elektroniku. Mēs izvēlējāmies Marlin, jo tas ir bezmaksas, viegli pārveidojams ar Arduino IDE un labi atbalstīts. Mēs esam mainījuši mūsu īpašās aparatūras programmaparatūru, taču to ir diezgan vienkārši mainīt citiem printeriem, jo viss kods ir komentēts un skaidri izskaidrots. Veiciet dubultklikšķi uz faila MonopriceV2BioprinterFirmware.ino, lai atvērtu marlin konfigurācijas failus.

10. solis: Kura profils

Cura profilu var importēt Ultimaker Cura 4.0.0 un izmantot, lai izveidotu lielas virsmas laukumus izmantošanai bagātīgā reaktorā. Gcode ģenerēšana printerim joprojām ir ļoti eksperimentāla un prasa daudz pacietības. Pievienots arī apļveida profuzīcijas reaktora testa kods.

11. darbība: sākuma G koda maiņa

Ielīmējiet šo kodu sākuma G koda iestatījumā:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Repetier, lai mainītu sākuma Gcode, dodieties uz griezēju-> Konfigurācija-> G-kodi-> sākuma G-kodi. Katrā gadījumā ir jāmaina G92 Z vērtība. Lēnām palieliniet vērtību, līdz adata drukāšanas sākumā ir vēlamajā attālumā no Petri trauka virsmas.

12. solis: Bioink izveide

Lietojumprogrammai piemērotas Bioink izstrādes process ir sarežģīts. Šis ir process, kuru mēs ievērojām:

Kopsavilkums

Hidrogels ir piemērots bīdes jutīgām augu šūnām, un tam ir atvērtas makroporas, kas nodrošina difūziju. Hidrogelu ražo, izšķīdinot agarozi, alginātu, metilcelulozi un saharozi dejonizētā ūdenī un pievienojot šūnas. Gēls ir viskozs, līdz tas ir sacietējis ar 0,1 M kalcija hlorīdu, kas padara to izturīgu. Kalcija hlorīda konservēšanas šķīdums savienojas ar alginātu, lai padarītu to izturīgu. Algināts ir gēla pamats, metilceluloze homogenizē želeju, un agaroze nodrošina lielāku struktūru, jo želejas istabas temperatūrā. Saharoze nodrošina barību, lai šūnas turpinātu augt hidrogelā.

Īss pārskats par dažiem eksperimentiem, lai pārbaudītu želeju

Mēs pārbaudījām dažādus hidrogēlus ar dažādu agarozes daudzumu un reģistrējām tā konsistenci, to, cik viegli tas tika iespiests un vai tas nogrima vai peldēja konservēšanas šķīdumā. Samazinot algināta procentu, gēls kļuva pārāk šķidrs, un pēc drukāšanas tas nespēja saglabāt savu formu. Palielinot algināta procentu, sacietēšanas šķīdums iedarbojās tik ātri, ka želeja sacietēja pirms pielīmēšanas pie augšējā slāņa. Hidrogels, kas saglabā savu formu un nesaciet pārāk ātri, tika izstrādāts, izmantojot 2,8 masas% alginātu.

Kā izstrādāt hidrogēlu

Materiāli

Agaroze (0,9 masas %)

Algināts (2,8 masas %)

Metilceluloze (3,0 masas%)

Saharoze (3,0 masas%)

Kalcija hlorīds. 1 M (147,001 g/mol)

ddH20

šūnu agregāti

2 mazgātas un žāvētas vārglāzes

1 Maisīšanas lāpstiņa

Alumīnija folijs

Plastmasas svēršanas papīrs

Graduēts cilindrs

Procedūra

Hidrogela pagatavošana:

1. Izmēriet noteiktu ddH20 daudzumu, pamatojoties uz to, cik daudz gēla šķīduma vēlaties pagatavot. Izmantojiet mērcilindru, lai iegūtu noteiktu ddH20 tilpumu.
2. Hidrogela šķīdums satur alginātu (2,8 masas %)), agarozi (0,9 masas %), saharozi (3 masas %) un metilcelulozi (3 masas %). Pareizas hidrogela šķīduma sastāvdaļu daļas tiks izmērītas, izmantojot plastmasas svaru papīru.
3. Kad esat nosvēris visas sastāvdaļas, pievienojiet ddh20, saharozi, agarozi un, visbeidzot, nātrija alginātu vienā no sausajām vārglāzēm. Virpiniet, lai sajauktu, bet neizmantojiet lāpstiņu, lai sajauktu, jo pulveris pielīp pie lāpstiņas.
4. Pēc sajaukšanas pareizi iesaiņojiet vārglāzes augšdaļu ar alumīnija foliju un marķējiet vārglāzi. Pievienojiet folijas augšdaļai autoklāvu lentes gabalu.
5. Ielieciet atlikušo metilcelulozi citā sausā vārglāzē un ietiniet to alumīnija folijā tāpat kā iepriekšējā vārglāzē. Iezīmējiet šo vārglāzi un folijas augšpusē pievienojiet autoklāvu lentes gabalu.
6. Aptiniet 1 lāpstiņu alumīnija folijā un pārliecinieties, ka tā nav atklāta. Iesaiņotajai lāpstiņai pievienojiet autoklāvu lenti.
7. Sterilizācijas cikla laikā autoklāvējiet 2 vārglāzes un 1 lāpstiņu 121 ° C temperatūrā 20 minūtes. NELIETOJIET AUTOKLAVU STERILĀ UN SAUSĀ CIKLĀ.
8. Kad autoklāvu cikls ir pabeigts, ļaujiet želejai atdzist līdz istabas temperatūrai un, kad tā ir sasniegusi, sāciet darbu Bioloģiskās drošības kabinetā.
9. Noteikti nomazgājiet rokas un rokas un izmantojiet pareizu aseptisku tehniku, kad strādājat bioloģiskās drošības skapī. Pārliecinieties arī, lai tas nenonāktu tiešā saskarē ar priekšmetiem, kas pieskaras želejai vai atrodas tuvu želejai (piemēram: lāpstiņas sajaukšanas beigas vai alumīnija folijas apgabals, kas atrodas virs želejas)
10. Bioloģiskās drošības skapī samaisiet metilcelulozi želejā, lai iegūtu viendabīgu izkliedi. Kad sajaukšana ir pabeigta, pārklājiet sajaukto želejas šķīdumu virspusē un ievietojiet ledusskapī uz nakti.
11. No šejienes želeju var izmantot šūnu ievadīšanai vai citiem mērķiem, piemēram, drukāšanai.

Šūnu pievienošana:

1. Filtrējiet šūnas, lai tās būtu vienāda izmēra. Mūsu filtrēšanas procedūra ir

   Viegli nokasiet šūnas no Petri trauciņa un izmantojiet 380 mikrometru sietu, lai filtrētu šūnas.

2. Uzmanīgi samaisiet filtrētās šūnas hidrogela šķīdumā, izmantojot plakanas galvas lāpstiņu, lai izvairītos no maisījuma zuduma (kas ir autoklāvā).
3. Pēc šūnu sajaukšanas centrifugējiet burbuļus
4. No šejienes hidrogels ir pabeigts, un to var izmantot drukāšanai, konservēšanai un turpmākiem eksperimentiem.

Kā izveidot konservēšanas šķīdumu (0,1 M kalcija hlorīds, CaCl2)

Materiāli

Kalcija hlorīds

ddH20

Saharoze (3 masas %)

Procedūra (lai pagatavotu 1L konservēšanas šķīdumu)

1. Izmēra 147,01 g kalcija hlorīda, 30 ml saharozes un 1 l ddH20.
2. Sajauciet kalcija hlorīdu, saharozi un ddH20 lielā vārglāzē vai traukā.
3. Iegremdējiet želeju sacietēšanas šķīdumā vismaz 10 minūtes, lai sacietētu.

13. solis: drukājiet

Teorētiski bioloģiskā drukāšana ir ārkārtīgi vienkārša; tomēr praksē ir daudzi faktori, kas var izraisīt neveiksmes. Izmantojot šo želeju, mēs esam noskaidrojuši, ka, lai panāktu maksimālu panākumu mūsu lietojumā, var darīt vairākas lietas:

1. Drukāšanas laikā izmantojiet nelielu daudzumu CaCl2 šķīduma, lai daļēji sacietētu želeju,
2. Izmantojiet papīra dvieli Petri trauka apakšā, lai palielinātu saķeri
3. Izmantojiet papīra dvieli, lai vienmērīgi izkliedētu nelielu daudzumu CaCl2 visā drukā
4. izmantojiet plūsmas ātruma slīdni Repetier, lai atrastu pareizo plūsmas ātrumu

Dažādiem lietojumiem un dažādiem gēliem var būt nepieciešams izmantot dažādas metodes. Mūsu procedūra tika izveidota vairākus mēnešus. Pacietība ir galvenais.

Veiksmi, ja izmēģināsit šo projektu un nekautrēsities uzdot visus jautājumus.

Pirmā balva Arduino konkursā 2019