Бага өртөгтэй биопринтер: 13 алхам (зурагтай)

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:02

Бид UC Davis-ийн бакалавраар удирдуулсан судалгааны баг юм. Бид TEAM -ийн молекул прототипжүүлэлт, биоинновацийн лабораторид ажилладаг BioInnovation Group -ийн нэг хэсэг юм. Энэхүү лаборатори нь янз бүрийн гарал үүсэлтэй оюутнуудыг нэгтгэн энэхүү төсөл дээр ажиллах болно (мех/химийн/биомедиа инженерчлэл).

Энэхүү төслийн талаар бага зэрэг мэдээлэл өгүүлэхийн тулд био хэвлэх ажлыг судалгааны байгууллагуудад илүү хүртээмжтэй болгох зорилгоор хямд өртөгтэй биопринтер бүтээх зорилгоор ChemE тэнхимийн доктор Карен Макдональдтай хамтран трансген будааны эсийг хэвлэж эхэлсэн явдал юм. Одоогийн байдлаар бага үнэтэй биопринтер ойролцоогоор 10 000 долларын үнэтэй байхад дээд зэрэглэлийн биопринтер нь ойролцоогоор 170 000 долларын үнэтэй байдаг. Үүний эсрэгээр манай принтерийг ойролцоогоор 375 доллараар үйлдвэрлэх боломжтой.

Хангамж

Эд анги:

1. Налуу зам 1.4:
2. Arduino мега 2560:
3. Stepper мотор драйверууд:
4. Нэмэлт stepper мотор (заавал биш)
5. Бүтээгчийн цацраг 2 инч X 1 инч
6. Maker цацраг бэхэлгээний тоног төхөөрөмж
7. Янз бүрийн хэмжээтэй M3 шураг
8. М3 самар x2
9. 8 мм -ийн урсгалтай саваа
10. 8 мм самар
11. 608 холхивч
12. Холбогч хавчаар
13. Утас
14. Monoprice V2
15. Зип зангиа
16. М3 дулаан тохируулагч самар 2 мм өргөн

Хэрэгсэл:

1. Янз бүрийн хэмжээтэй өрмийн битүүд
2. Гар өрөм
3. Өрмийн машин
4. Hacksaw
5. Гагнуурын төмөр + гагнуур
6. Утас хуулагч
7. Зүү хамар бахө
8. Янз бүрийн хэмжээтэй Hex түлхүүрүүд

Лабораторийн хангамж:

1. Петри таваг ~ 70 мм диаметртэй
2. Luer-lock цоожтой 60 мл тариур
3. Luer-lock үзүүртэй 10 мл тариур
4. Luer-lock-ийн холбох хэрэгсэл
5. Холбох хоолойн хоолой
6. T Хоолойн холбогч
7. Центрифуг
8. Центрифугийн хоолой 60 мл
9. Хуваарь
10. Жинлэх завь
11. Автоклав
12. Шилэн аяга
13. Төгссөн цилиндр
14. 0.1M CaCl2 уусмал
15. Агароз
16. Алгинат
17. Метилцеллюлоз
18. Сахароз

Програм хангамж:

1. Fusion 360 эсвэл Solidworks
2. Arduino IDE
3. Давтан хост
4. Ultimaker Cura 4

Алхам 1: 3D принтер сонгох

Бид 3D принтер болох Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 -ийг сонгосон. Энэхүү принтер нь хямд өртөгтэй, олдоц сайтай тул сонгосон. Нэмж дурдахад, принтерийн өндөр нарийвчлалтай 3D загвар аль хэдийн бэлэн болсон бөгөөд энэ нь дизайныг хөнгөвчилсөн юм. Энэхүү зааварчилгаа нь энэхүү хэвлэгчдэд зориулагдсан болно, гэхдээ ижил төстэй процессыг бусад нийтлэг FDM принтер болон CNC машиныг хөрвүүлэхэд ашиглаж болно.

Өндөр нарийвчлалтай загвар:

Алхам 2: 3D хэвлэх

Monoprice принтерийг задлахаас өмнө 3D принтерийг өөрчлөхийн тулд хэд хэдэн хэсгийг 3D хэвлэх шаардлагатай. Зуурмаг шахагчийн хувилбарууд байдаг бөгөөд нэг нь эпокси шаарддаг, нөгөө нь шаардлагагүй байдаг. Эпокси шаарддаг нь илүү авсаархан боловч угсрахад илүү төвөгтэй байдаг.

Алхам 3: Хэвлэгчийг өөрчлөхөд бэлтгэ

Цамхагийн урд самбар, доод таг, хяналтын самбарыг зайлуулах шаардлагатай. Доод талыг нь салгасны дараа бүх электрон хэрэгслийг хяналтын самбараас салгаад хяналтын самбарыг салга.

Алхам 4: Сольж болох уул

Биеийн 1 ба Бие 14 -т тус бүр хоёр халаах самар хэрэгтэй. 1 -р биеийг туузан доор нуусан хоёр М3 боолтоор хэвлэгчийн хүрээ дээр бэхэлсэн. Туузан чангалагчийг салгаад бүсийг нэг тал руу татах замаар боолтыг ил гаргаж болно.

Алхам 5: Z тэнхлэгийн шилжүүлэгч

Z тэнхлэгийн шилжүүлэгчийн байрлалыг өөрчилсөн бөгөөд ингэснээр дурын урттай зүүг програм хангамжид нөхөхгүйгээр ашиглах дарааллын үед ашиглаж болно. Шилжүүлэгчийг 2 М3 боолттой хэвлэгчийн явах эд анги руу хэвлэх орны ойролцоо аль болох ойрхон байрлуулах ёстой.

Алхам 6: Цахилгааны утас

Утасыг Ramps 1.4 стандартын дагуу гүйцэтгэдэг. Утасны диаграмыг дагаж мөрдөхөд л хангалттай. Терминал блокуудад шаардлагатай бол утсыг хайчилж, цагаан тугалга хийнэ. Зарим утсыг сунгах шаардлагатай байж магадгүй юм.

Алхам 7: Эпокси шахагч

Энэхүү экструдерийг хэвлэхэд бага хугацаа шаардагддаг боловч эпокси ашигладаг бөгөөд угсралтын нийт хугацааг 24 цаг хүртэл нэмэгдүүлдэг. 8мм -ийн урсгалтай саваа нь 608 холхивч дээр эпоксиджуулж, холхивчийг 3 хэмжээст хэвлэсэн биеийн 21 хэсэгт эпоксиджуулсан байх ёстой. Нэмж хэлэхэд урсгалтай савааны самарыг 40 -р биед эпоксидоор хучих ёстой. Эпокси бүрэн хатсаны дараа резин 60мл ба 10мл -ийн тариурын поршений зөвлөмжийг Body 9 ба Body 21 дээр тус тус байрлуулж болно. Т тохирох тохируулга олдсонгүй тул түүхий эдийг 6мм гуулин хоолой, гагнуураар хийсэн. Экструдер нь гидравлик системийн үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд Bioink -ийг 10 мл -ийн тариурын доод танхимаас гадагшлуулдаг. Хоолойнуудыг хүчтэй сэгсрэх замаар агааржуулалтыг системээс гаргаж авах боломжтой бөгөөд хамгийн дээд цэг дээр Т холбох хэрэгслийг барьж болно.

Алхам 8: Ердийн зуурагч экструдер

Энэхүү шахагчийг зүгээр л боолтоор холбож болно. Энэхүү экструдерын сул тал нь илүү том хэмжээтэй бөгөөд өндөр эсэргүүцэлтэй байдаг.

Алхам 9: Алхам 9: Arduino програм хангамж

Arduino -д stepper драйвер болон бусад электроник хэрэгслийг ажиллуулахын тулд firmware хэрэгтэй. Бид Marlin -ийг үнэгүй, Arduino IDE ашиглан хялбархан өөрчилж, сайн дэмждэг тул сонгосон. Бид тусгай тоног төхөөрөмжийнхөө програм хангамжийг өөрчилсөн боловч бүх кодыг тайлбарлаж, тодорхой тайлбарласан тул бусад принтерүүдэд үүнийг өөрчлөхөд маш хялбар байдаг. Marlin тохиргооны файлуудыг нээхийн тулд MonopriceV2BioprinterFirmware.ino файлыг давхар товшино уу.

Алхам 10: Cura профайл

Cura профайлыг Ultimaker Cura 4.0.0 руу импортлох боломжтой бөгөөд өндөр реакторт ашиглахын тулд өндөр гадаргуутай тор хийх боломжтой. Принтерт зориулсан Gcode -ийг бий болгох нь маш туршилтын хэвээр байгаа бөгөөд маш их тэвчээр шаарддаг. Мөн дугуй хэлбэртэй реакторын туршилтын gcode -ийг хавсаргав.

Алхам 11: Start G-кодыг өөрчлөх

G кодыг эхлүүлэхийн тулд энэ кодыг буулгана уу.

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Repetier дээр start Gcode-ийг өөрчлөхийн тулд slicer-> Configuration-> G-code-> start G-codes руу очно уу. Тухайн тохиолдол бүрт G92 Z утгыг өөрчлөх шаардлагатай. Зүүг хэвлэх эхэнд Петри тавагны гадаргуугаас хүссэн зайд хүрэх хүртэл утгыг аажмаар нэмэгдүүлнэ.

Алхам 12: Bioink хийх

Өргөдөл гаргахад тохиромжтой Bioink боловсруулах үйл явц нь нарийн төвөгтэй байдаг. Энэ бол бидний дагаж мөрдсөн үйл явц юм.

Дүгнэлт

Гидрогел нь хяргах эмзэг ургамлын эсүүдэд тохиромжтой бөгөөд тархалтыг зөвшөөрдөг нээлттэй макро нүхтэй. Гидрогелийг агароз, алгинат, метилцеллюлоз, сахарозыг ионгүйжүүлсэн усанд уусган эс нэмж хийснээр хийдэг. Гель нь 0.1М кальцийн хлоридоор хатах хүртэл наалдамхай байдаг тул бат бөх болгодог. Кальцийн хлоридын хатууруулах уусмал нь бат бөх болгохын тулд алгинаттай холбодог. Альгинат нь гельний суурь бөгөөд метилцеллюлоз нь гельийг нэгэн төрлийн болгодог бөгөөд агароз нь өрөөний температурт гелждэг тул илүү бүтэцтэй болгодог. Сахароз нь гидрогельд эсийг үргэлжлүүлэн ургуулах хоол хүнсээр хангадаг.

Гельийг шалгах зарим туршилтуудын товч тойм

Янз бүрийн хэмжээтэй агароз бүхий янз бүрийн гидрогелийг туршиж үзээд түүний тууштай байдал, хэр амархан хэвлэгдсэн, хатуурсан уусмалд живсэн эсвэл хөвж байсан эсэхийг тэмдэглэв. Алгинатын хувийг бууруулснаар гель хэт шингэн болж, хэвлэсний дараа хэлбэрээ хадгалах боломжгүй болсон. Алгинатын хувийг нэмэгдүүлэх нь эдгэрэлтийн уусмалыг маш хурдан ажиллуулж, гель нь дээд давхаргад наалдахаас өмнө эдгэрэх болно. Хэлбэрээ хадгалж, түргэн эдгэрдэггүй гидрогелийг жингийн 2.8% алгинат ашиглан бүтээжээ.

Гидрогелийг хэрхэн яаж хөгжүүлэх вэ

Материал

Агароз (жингийн 0.9 %)

Алгинат (жин 2.8 %)

Метилцеллюлоз (жингийн 3.0%)

Сахароз (жингийн 3.0%)

Кальцийн хлорид.1М (147.001 г/моль)

ddH20

эсийн агрегатууд

2 Угаасан хатаасан стакан

1 хутгагч хусуур

Хөнгөн цагаан тугалган цаас

Хуванцар жингийн цаас

Цилиндр төгссөн

Процедур

Гидрогел хийх:

1. Хэр их гель уусмал бэлтгэхийг хүсч байгаагаас шалтгаалан тодорхой хэмжээний ddH20 хэмжээг хэмжинэ. Тодорхой хэмжээний ddH20 авахын тулд төгссөн цилиндрийг ашиглана уу.
2. Гидрогелийн уусмалд Alginate (wt 2.8 %)), Agarose (0.9 wt %), сахароз (3 %wt %), methylcellulose (3 %wt) орно. Гидрогелийн уусмалын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн зохих хэсгийг хуванцар жингийн цаас ашиглан хэмжинэ.
3. Бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг жинлэж дуусаад ddh20, сахароз, агароз, хамгийн сүүлд натрийн алгинатыг хуурай шилэн аяганд нэмнэ. Нунтаг хутгуур дээр наалддаг тул холихын тулд эргүүлэх боловч хутгахдаа хусуур бүү ашиглаарай.
4. Холимог болсны дараа шилний дээд хэсгийг хөнгөн цагаан тугалган цаасаар сайтар боож, шилэнд шошго тавина. Тугалган цаасны дээд хэсэгт автоклавын тууз нэмнэ.
5. Үлдсэн метилцеллюлозыг нөгөө хуурай шилэн саванд хийж өмнөх шил шиг хөнгөн цагаан тугалган цаасаар боож өгнө. Энэ шилийг шошгон дээр тугалган цаасны дээд хэсэгт автоклавын тууз нэмнэ.
6. 1 хусуурыг хөнгөн цагаан тугалган цаасаар боож, аль нь ч ил гараагүй эсэхийг шалгаарай. Боодолтой хусуур дээр автоклавын соронзон хальс нэмнэ.
7. 2 стакан, 1 хусуурыг 121 С температурт 20 минутын турш ариутгах мөчлөгт автоклав. АВТОКЛАВАГ СТЕРИЛЬ, ХУУРААН ЦИКЛД ХЭРЭГЛЭХГҮЙ.
8. Автоклавын мөчлөг дууссаны дараа гельийг өрөөний температурт хөргөнө, түүнд хүрсний дараа биологийн аюулгүй байдлын кабинетэд ажиллаж эхэлнэ.
9. Биоаюулгүйн кабинетэд ажиллаж байхдаа гар, гараа угааж, зохих асептик техникийг ашиглахаа мартуузай. Мөн гель хүрэх эсвэл гельтэй ойр байх объектуудтай шууд холбоо барихгүй байхыг анхаарна уу (жишээлбэл: хутгуурын хутгах үзүүр эсвэл гель дээр байрласан хөнгөн цагаан тугалган цаасны хэсэг).
10. Биоаюулгүйн кабинетэд метилцеллюлозыг гель болгон хольж нэгэн төрлийн тараана. Хольж дууссаны дараа хольсон гель уусмалыг дээд талд нь боож, хөргөгчинд нэг шөнө хийнэ.
11. Эндээс гельийг эсийг нэвтрүүлэх эсвэл хэвлэх гэх мэт бусад зорилгоор ашиглаж болно.

Нүд нэмэх:

1. Нүднүүдийг ижил хэмжээтэй байхаар шүүнэ. Бидний шүүх журам бол

   Петри таваг дээрх эсүүдийг бага зэрэг хусаад 380 микрометрийн шигшүүр ашиглан эсүүдийг шүүнэ.

2. Гидрогелийн уусмал дахь шүүсэн эсүүдийг зөөлөн хутгах замаар холино.
3. Эсийг хольсны дараа бөмбөлгийг центрифугална
4. Эндээс гидрогел бүрэн хийгдсэн бөгөөд хэвлэх, эмчлэх, ирээдүйн туршилтанд ашиглах боломжтой.

Эдгэрэх уусмалыг хэрхэн яаж боловсруулах вэ (0.1M кальцийн хлорид, CaCl2)

Материал

Кальцийн хлорид

ddH20

Сахароз (жингийн 3 %)

Процедур (1л хатаах уусмал хийх)

1. 147.01 гр кальцийн хлорид, 30 мл сахароз, 1 л ddH20 хэмжинэ.
2. Кальцийн хлорид, сахароз, ddH20 -ийг том стакан эсвэл саванд холино.
3. Гельийг хатаах уусмалд дүрээд дор хаяж 10 минут байлгана.

Алхам 13: Хэвлэх

Онолын хувьд биопринт хийх нь маш энгийн; Гэсэн хэдий ч практик дээр бүтэлгүйтлийг өдөөж болох олон хүчин зүйлүүд байдаг. Энэхүү гель ашиглан бид програмын амжилтыг нэмэгдүүлэхийн тулд хэд хэдэн зүйлийг хийж болохыг олж мэдсэн.

1. Хэвлэх явцад гелийг хэсэгчлэн эмчлэхийн тулд бага хэмжээний CaCl2 уусмал ашиглана.
2. Петри тавагны доод хэсэгт цаасан алчуур ашиглан наалдацыг нэмэгдүүлнэ
3. Цаасан алчуур ашиглан бага хэмжээний CaCl2 -ийг бүхэлд нь жигд тараана
4. Зөв урсгалыг олохын тулд Repetier дээрх урсгалын гулсагчийг ашиглана уу

Янз бүрийн хэрэглээ, өөр өөр гелийн хувьд өөр техник ашиглах шаардлагатай байж магадгүй юм. Бидний процедурыг хэдэн сарын турш боловсруулсан. Тэвчээр бол түлхүүр юм.

Хэрэв та энэ төслийг туршиж үзээд ямар ч асуулт асуухгүй бол амжилт хүсье.

2019 оны Arduino тэмцээний тэргүүн шагнал