Βιοπρίντερ χαμηλού κόστους: 13 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Είμαστε μια ερευνητική ομάδα υπό την ηγεσία των υποψηφίων στο UC Davis. Είμαστε μέλος του BioInnovation Group, το οποίο λειτουργεί στο εργαστήριο TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation (Advisers Dr. Marc Facciotti, and Andrew Yao, M. S.). Το εργαστήριο συγκεντρώνει μαθητές διαφορετικών υποβάθρων για να εργαστούν σε αυτό το έργο (μηχανική/χημική/βιομηχανική).

Λίγο υπόβαθρο σε αυτό το έργο είναι ότι ξεκινήσαμε την εκτύπωση διαγονιδιακών κυττάρων ρυζιού σε συνεργασία με τη Δρ Karen McDonald του τμήματος ChemE με στόχο να αναπτύξουμε έναν βιο-εκτυπωτή χαμηλού κόστους για να καταστήσουμε τη βιο-εκτύπωση πιο προσβάσιμη σε ερευνητικά ιδρύματα. Επί του παρόντος, οι βιοεκτυπωτές χαμηλού κόστους κοστίζουν περίπου $ 10, 000 ενώ οι βιοεκτυπωτές υψηλών προδιαγραφών κοστίζουν περίπου $ 170, 000. Αντίθετα, ο εκτυπωτής μας μπορεί να κατασκευαστεί για περίπου $ 375.

Προμήθειες

Μέρη:

1. Ράμπες 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Προγράμματα οδήγησης Stepper:
4. Πρόσθετο βηματικό μοτέρ (προαιρετικό)
5. Δοκός κατασκευής 2 σε Χ 1 ίντσα
6. Υλικό προσάρτησης δοκού κατασκευαστή
7. Βίδες M3 σε διάφορα μεγέθη
8. Μ3 παξιμάδια x2
9. Βιδωτή ράβδος 8 mm
10. Παξιμάδι 8 mm
11. 608 ρουλεμάν
12. Συνδετικό κλιπ
13. Νήμα
14. Monoprice V2
15. Φερμουάρ
16. Μ3 παξιμάδια θερμότητας πλάτους 2mm πλάτος

Εργαλεία:

1. Τρυπήστε κομμάτια διαφόρων μεγεθών
2. Τρυπάνι χειρός
3. Πρέσα τρυπανιών
4. Σιδηροπρίονο
5. Συγκολλητικό σίδερο + συγκολλητικό
6. Απογυμνωτής καλωδίων
7. Πένσα μύτης βελόνας
8. Εξαγωνικά κλειδιά διαφόρων μεγεθών

Προμήθειες εργαστηρίου:

1. Πιάτα Petri diameter 70mm διάμετρος
2. Σύριγγα 60 ml με άκρο Luer-lock
3. Σύριγγα 10 ml με άκρο Luer-lock
4. Εξαρτήματα Luer-lock
5. Σωλήνες για εξαρτήματα
6. T Συνδετήρας για σωλήνες
7. Φυγοκέντρηση
8. Σωλήνες φυγοκέντρησης 60ml
9. Κλίμακα
10. Ζυγίστε βάρκες
11. Αεροστεγής λέβης βρασμού
12. Μπύρες
13. Διαβαθμισμένος κύλινδρος
14. 0.1Μ διάλυμα CaCl2
15. Αγαρόζη
16. Αλας αλγινικού οξέως
17. Μεθυλοκυτταρίνη
18. Σακχαρόζη

Λογισμικό:

1. Fusion 360 ή Solidworks
2. Arduino IDE
3. Επαναληπτικός οικοδεσπότης
4. Ultimaker Cura 4

Βήμα 1: Επιλογή τρισδιάστατου εκτυπωτή

Επιλέξαμε τον εκτυπωτή Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 ως τον εκτυπωτή 3D εκκίνησης. Αυτός ο εκτυπωτής επιλέχθηκε λόγω του χαμηλού κόστους και της υψηλής διαθεσιμότητάς του. Επιπλέον, ήταν ήδη διαθέσιμο ένα εξαιρετικά ακριβές τρισδιάστατο μοντέλο του εκτυπωτή, το οποίο έκανε τον σχεδιασμό ευκολότερο. Αυτό το εγχειρίδιο θα προσαρμοστεί για αυτόν τον συγκεκριμένο εκτυπωτή, αλλά μια παρόμοια διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή άλλων κοινών εκτυπωτών FDM και μηχανών CNC.

Μοντέλο υψηλής ακρίβειας:

Βήμα 2: Τρισδιάστατη εκτύπωση

Πριν από την αποσυναρμολόγηση του εκτυπωτή Monoprice, πολλά μέρη πρέπει να εκτυπωθούν 3D για την τροποποίηση του 3D εκτυπωτή. Υπάρχουν εκδόσεις των εξωθητών πάστας, μία που απαιτεί εποξική και μία όχι. Αυτό που απαιτεί εποξικό είναι πιο συμπαγές αλλά πιο δύσκολο να συναρμολογηθεί.

Βήμα 3: Προετοιμάστε τον εκτυπωτή για τροποποίηση

Ο μπροστινός πίνακας πύργου, το κάτω κάλυμμα και ο πίνακας ελέγχου πρέπει να αφαιρεθούν. Μόλις αφαιρεθεί το κάτω μέρος, αποσυνδέστε όλα τα ηλεκτρονικά από την πλακέτα ελέγχου και αφαιρέστε την πλακέτα ελέγχου.

Βήμα 4: Εναλλάξιμο στήριγμα

Το σώμα 1 και το σώμα 14 απαιτούν το καθένα δύο παξιμάδια θερμότητας. Το σώμα 1 στερεώνεται στο πλαίσιο του εκτυπωτή από τα δύο μπουλόνια M3 που είναι κρυμμένα κάτω από τη ζώνη. Τα μπουλόνια μπορούν να αποκαλυφθούν αφαιρώντας τον τεντωτήρα ιμάντα και τραβώντας τον ιμάντα στη μία πλευρά.

Βήμα 5: Z Axis Switch

Ο διακόπτης άξονα Ζ επανατοποθετείται έτσι ώστε οποιαδήποτε βελόνα μήκους να μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια της ακολουθίας εισόδου χωρίς αντιστάθμιση στο λογισμικό. Ο διακόπτης πρέπει να τοποθετηθεί με 2 βίδες M3 στο πλαίσιο του εκτυπωτή ακριβώς κάτω από την κεφαλή εκτύπωσης, όσο το δυνατόν πιο κοντά στο κρεβάτι εκτύπωσης.

Βήμα 6: Καλωδίωση

Η καλωδίωση γίνεται σύμφωνα με τα πρότυπα Ramps 1.4. Απλώς ακολουθήστε το διάγραμμα καλωδίωσης. Κόψτε και κασσίτερα σύρματα όπως απαιτείται για τα μπλοκ ακροδεκτών. Ορισμένα καλώδια μπορεί να χρειαστεί να επεκταθούν.

Βήμα 7: Epoxy Extruder

Ενώ αυτός ο εξωθητής χρειάζεται λιγότερο χρόνο για εκτύπωση, χρησιμοποιεί εποξειδικό, το οποίο αυξάνει τον συνολικό χρόνο κατασκευής σε πάνω από 24 ώρες. Η ράβδος με σπείρωμα 8mm πρέπει να είναι εποξειδωμένη στο ρουλεμάν 608 και το έδρανο πρέπει να είναι εποξειδωμένη στο τρισδιάστατο κομμάτι Σώμα 21. Επιπλέον, το παξιμάδι για τη ράβδο με σπείρωμα πρέπει να είναι εποξειδωμένο στο σώμα 40. Μόλις το εποξείδιο έχει σκληρυνθεί πλήρως, το λάστιχο Οι άκρες των εμβόλων σύριγγας των 60ml και 10 ml μπορούν να τοποθετηθούν πάνω στο Body 9 και στο Body 21, αντίστοιχα. Δεν ήταν δυνατή η εύρεση κατάλληλου εξαρτήματος Τ, οπότε κατασκευάστηκε ένα ακατέργαστο από σωλήνες και συγκολλήσεις ορείχαλκου 6 mm. Ο εξωθητής λειτουργεί ως υδραυλικό σύστημα που ωθεί το Bioink έξω από τον κάτω θάλαμο της σύριγγας των 10 ml. Ο αέρας μπορεί να απομακρυνθεί από το σύστημα ανακινώντας δυνατά τους σωλήνες κρατώντας το εξάρτημα Τ στο υψηλότερο σημείο.

Βήμα 8: Κανονικός εξωθητής επικόλλησης

Αυτός ο εξωθητής μπορεί απλά να βιδωθεί μαζί. Το μειονέκτημα αυτού του εξωθητή είναι ότι είναι πιο ογκώδες και έχει μεγάλη αντίδραση.

Βήμα 9: Βήμα 9: Firmware Arduino

Το Arduino χρειάζεται υλικολογισμικό για να εκτελέσει τα προγράμματα οδήγησης stepper και άλλα ηλεκτρονικά. Επιλέξαμε το Marlin καθώς είναι δωρεάν, τροποποιείται εύκολα με Arduino IDE και υποστηρίζεται καλά. Έχουμε τροποποιήσει το υλικολογισμικό για το συγκεκριμένο υλικό μας, αλλά είναι πολύ απλό να το τροποποιήσουμε για άλλους εκτυπωτές, επειδή όλος ο κώδικας σχολιάζεται και εξηγείται με σαφήνεια. Κάντε διπλό κλικ στο αρχείο MonopriceV2BioprinterFirmware.ino για να ανοίξετε τα αρχεία διαμόρφωσης marlin.

Βήμα 10: Cura Profile

Το προφίλ Cura μπορεί να εισαχθεί στο Ultimaker Cura 4.0.0 και να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή πλεγμάτων μεγάλης επιφάνειας για χρήση σε έναν αντιδραστήρα αφθονίας. Η παραγωγή του Gcode για τον εκτυπωτή εξακολουθεί να είναι πολύ πειραματική και απαιτεί μεγάλη υπομονή. Επισυνάπτεται επίσης ένας δοκιμαστικός κωδικός για έναν κυκλικό αντιδραστήρα.

Βήμα 11: Αλλαγή κωδικού G Έναρξης

Επικολλήστε αυτόν τον κωδικό στην έναρξη ρύθμισης κωδικού G:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Στο Repetier, για να τροποποιήσετε την έναρξη του Gcode, μεταβείτε στην επιλογή slicer-> Configuration-> G-codes-> start G-codes. Είναι απαραίτητο να τροποποιήσετε την τιμή G92 Z για κάθε συγκεκριμένη περίπτωση. Αυξήστε αργά την τιμή μέχρι η βελόνα να είναι η επιθυμητή απόσταση από την επιφάνεια του πιάτου Petri στην αρχή της εκτύπωσης.

Βήμα 12: Κάνοντας το Bioink

Η διαδικασία ανάπτυξης ενός Bioink κατάλληλου για εφαρμογή είναι πολύπλοκη. Αυτή είναι η διαδικασία που ακολουθήσαμε:

Περίληψη

Η υδρογέλη είναι κατάλληλη για φυτικά κύτταρα ευαίσθητα στη διάτμηση και έχει ανοιχτά μακροπόρα για να επιτρέψει τη διάχυση. Η υδρογέλη παρασκευάζεται διαλύοντας αγαρόζη, αλγινικό, μεθυλοκυτταρίνη και σακχαρόζη σε απιονισμένο νερό και προσθέτοντας κύτταρα. Το τζελ είναι παχύρρευστο μέχρι να σκληρυνθεί με 0.1Μ χλωριούχο ασβέστιο, γεγονός που το καθιστά ανθεκτικό. Το διάλυμα σκλήρυνσης χλωριούχου ασβεστίου διασυνδέεται με το αλγινικό άλας για να γίνει ανθεκτικό. Το αλγινικό είναι η βάση του πηκτώματος, η μεθυλοκυτταρίνη ομογενοποιεί το πήκτωμα και η αγαρόζη παρέχει περισσότερη δομή αφού πηκτώνει σε θερμοκρασία δωματίου. Η σακχαρόζη παρέχει τροφή στα κύτταρα για να συνεχίσουν να αναπτύσσονται στην υδρογέλη.

Μια σύντομη επισκόπηση ορισμένων πειραμάτων για την επαλήθευση του τζελ

Δοκιμάσαμε διαφορετικές υδρογέλες με ποικίλες ποσότητες αγαρόζης και καταγράψαμε τη συνοχή της, πόσο εύκολα εκτυπώθηκε και αν βυθίστηκε ή επιπλεύθηκε στο διάλυμα σκλήρυνσης. Η μείωση του ποσοστού αλγινικού άλατος έκανε το τζελ πολύ ρευστό και δεν ήταν σε θέση να διατηρήσει το σχήμα του μετά την εκτύπωση. Η αύξηση του ποσοστού αλγινικού άλατος έκανε το διάλυμα σκλήρυνσης να λειτουργεί τόσο γρήγορα, ώστε το τζελ να θεραπεύεται πριν κολλήσει στο ανώτερο στρώμα. Μια υδρογέλη που διατηρεί το σχήμα της και δεν θεραπεύεται πολύ γρήγορα αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας 2,8% κ.β. αλγινικό άλας.

Πώς να αναπτύξετε μια υδρογέλη

Υλικά

Αγαρόζη (0,9 %κ.β.)

Αλγινικό άλας (2,8 %κ.β.)

Μεθυλοκυτταρίνη (3,0%κ.β.)

Σακχαρόζη (3,0%κ.β.)

Χλωριούχο ασβέστιο. 1M (147,001 g/mol)

ddH20

συσσωματώματα κυττάρων

2 πλυμένα και αποξηραμένα ποτήρια

1 Σπάτουλα ανάμιξης

Αλουμινόχαρτο

Πλαστικό χαρτί ζύγισης

Πτυχιούχος κύλινδρος

Διαδικασία

Κάνοντας το Hydrogel:

1. Μετρήστε μια συγκεκριμένη ποσότητα ddH20 με βάση το πόση λύση τζελ θέλετε να προετοιμάσετε. Χρησιμοποιήστε τον διαβαθμισμένο κύλινδρο για να λάβετε έναν συγκεκριμένο όγκο ddH20.
2. Το διάλυμα υδρογέλης θα περιέχει Αλγινικό άλας (2,8 %κ.β.)), Αγαρόζη (0,9 %κ.β.), σακχαρόζη (3 %κ.β.) και μεθυλοκυτταρίνη (3 %κ.β.). Τα κατάλληλα τμήματα των συστατικών του διαλύματος υδρογέλης θα μετρηθούν χρησιμοποιώντας το πλαστικό χαρτί ζύγισης.
3. Όταν τελειώσετε με τη ζύγιση όλων των συστατικών, προσθέστε ddh20, σακχαρόζη, αγαρόζη και τέλος αλγινικό νάτριο σε ένα από τα ξηρά ποτήρια. Περιστρέψτε για ανάμειξη αλλά μην χρησιμοποιήσετε σπάτουλα για ανάμειξη γιατί η σκόνη θα κολλήσει στη σπάτουλα.
4. Μόλις αναμιχθεί, τυλίξτε σωστά το πάνω μέρος του ποτηριού με αλουμινόχαρτο και επισημάνετε το ποτήρι. Προσθέστε ένα κομμάτι ταινίας αυτόκαυστου στην κορυφή του αλουμινόχαρτου.
5. Βάλτε την υπόλοιπη μεθυλοκυτταρίνη στο άλλο ξηρό ποτήρι και τυλίξτε το σε αλουμινόχαρτο όπως το προηγούμενο ποτήρι. Προσθέστε ετικέτα σε αυτό το ποτήρι και προσθέστε ένα κομμάτι ταινίας αυτόκαυστου στην κορυφή του φύλλου.
6. Τυλίξτε 1 σπάτουλα σε αλουμινόχαρτο και βεβαιωθείτε ότι καμία από αυτές δεν είναι εκτεθειμένη. Προσθέστε ταινία αυτόκλειστου στη τυλιγμένη σπάτουλα.
7. Αυτόκλεισε τα 2 ποτήρια και 1 σπάτουλα στους 121 C για 20 λεπτά κατά τη διάρκεια του κύκλου αποστείρωσης. ΜΗΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΕ ΤΟ AUTOCLAVE ΣΕ ΣΤΕΡΕΙΡΟ ΚΑΙ ΞΗΡΟ ΚΥΚΛΟ.
8. Μόλις ολοκληρωθεί ο κύκλος του αυτόκλειστου, αφήστε το τζελ να κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου και μόλις το φτάσει, ξεκινήστε να λειτουργεί στο ερμάριο βιολογικής ασφάλειας.
9. Φροντίστε να πλένετε τα χέρια και τα χέρια σας και να χρησιμοποιείτε σωστή ασηπτική τεχνική μόλις λειτουργήσετε στο ερμάριο βιοασφάλειας. Επίσης ΒΕΒΑΙΩΘΕΙΤΕ να μην έρθετε σε άμεση επαφή με αντικείμενα που θα αγγίξουν το τζελ ή θα είναι κοντά στο τζελ (π.χ. το άκρο ανάμειξης της σπάτουλας ή η περιοχή των φύλλων αλουμινίου που κάθεται πάνω από το τζελ)
10. Στο ντουλάπι βιοασφάλειας αναμίξτε τη μεθυλοκυτταρίνη στο πήκτωμα για να αποκτήσετε ομοιογενή εξάπλωση. Μόλις ολοκληρωθεί η ανάμιξη, τυλίξτε ξανά την κορυφή του αναμεμειγμένου διαλύματος γέλης και τοποθετήστε το στο ψυγείο για μια νύχτα.
11. Από εδώ το τζελ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εισαγωγή των κυττάρων ή για άλλες χρήσεις όπως η εκτύπωση.

Προσθήκη κελιών:

1. Φιλτράρετε τα κελιά ώστε να έχουν το ίδιο μέγεθος. Η διαδικασία μας για το φιλτράρισμα είναι

   Ξύστε ελαφρά τα κύτταρα από το τρυβλίο petri και χρησιμοποιήστε ένα κόσκινο 380 μικρομέτρων για να φιλτράρετε τα κύτταρα.

2. Ανακατέψτε απαλά τα φιλτραρισμένα κύτταρα στο διάλυμα υδρογέλης χρησιμοποιώντας μια σπάτουλα επίπεδης κεφαλής για να αποφύγετε την απώλεια του μείγματος (που έχει υποστεί αυτόκλειστο).
3. Μετά την ανάμιξη των κυττάρων φυγοκεντρήστε τις φυσαλίδες
4. Από εδώ η υδρογέλη είναι πλήρης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εκτύπωση, σκλήρυνση και μελλοντικά πειράματα.

Πώς να αναπτύξετε το διάλυμα σκλήρυνσης (0.1Μ χλωριούχο ασβέστιο, CaCl2)

Υλικά

Χλωριούχο ασβέστιο

ddH20

Σακχαρόζη (3 %κ.β.)

Διαδικασία (για να φτιάξετε 1 λίτρο σκληρυντικού διαλύματος)

1. Μετρήστε 147,01 g χλωριούχου ασβεστίου, 30 ml σακχαρόζης και 1L ddH20.
2. Αναμίξτε χλωριούχο ασβέστιο, σακχαρόζη και ddH20 σε ένα μεγάλο ποτήρι ή δοχείο.
3. Βυθίστε το τζελ στο διάλυμα σκλήρυνσης για τουλάχιστον 10 λεπτά για να θεραπευτεί.

Βήμα 13: Εκτύπωση

Θεωρητικά, η βιοτυπία είναι εξαιρετικά απλή. Ωστόσο, στην πράξη, υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορούν να προκαλέσουν αστοχίες. Με αυτό το τζελ, διαπιστώσαμε ότι πολλά πράγματα μπορούν να γίνουν για να μεγιστοποιήσουν την επιτυχία της εφαρμογής μας:

1. Χρησιμοποιήστε μικρές ποσότητες διαλύματος CaCl2 για να θεραπεύσετε μερικώς το τζελ κατά την εκτύπωση,
2. Χρησιμοποιήστε μια χαρτοπετσέτα στο κάτω μέρος του πιάτου petri για να αυξήσετε την πρόσφυση
3. Χρησιμοποιήστε μια χαρτοπετσέτα για να απλώσετε ομοιόμορφα μικρές ποσότητες CaCl2 σε ολόκληρη την εκτύπωση
4. χρησιμοποιήστε το ρυθμιστικό ροής στο Repetier για να βρείτε τη σωστή ροή

Για διαφορετικές εφαρμογές και διαφορετικά τζελ, μπορεί να χρειαστεί να χρησιμοποιηθούν διαφορετικές τεχνικές. Η διαδικασία μας δημιουργήθηκε για αρκετούς μήνες. Η υπομονή είναι το κλειδί.

Καλή επιτυχία αν επιχειρήσετε αυτό το έργο και μη διστάσετε να κάνετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις.

Πρώτο Βραβείο στο Διαγωνισμό Arduino 2019