დაბალი ღირებულების ბიოპრინტერი: 13 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:17

ჩვენ ვართ კურსდამთავრებულთა კვლევითი ჯგუფი UC Davis– ში. ჩვენ ვართ ბიოინოვაციის ჯგუფის ნაწილი, რომელიც მუშაობს TEAM მოლეკულური პროტოტიპირებისა და ბიოინოვაციის ლაბორატორიაში (მრჩევლები დოქტორი მარკ ფაციოტი და ენდრიუ იაო, MS). ლაბორატორია აერთიანებს სხვადასხვა პროფესიის სტუდენტებს ამ პროექტზე სამუშაოდ (მექანიკური/ქიმიური/ბიოინჟინერია).

ამ პროექტის შესახებ ცოტაოდენი საფუძველია ის, რომ ჩვენ დავიწყეთ ტრანსგენური ბრინჯის უჯრედების დაბეჭდვა ChemE დეპარტამენტის დოქტორ კარენ მაკდონალდთან ერთად, რომლის მიზანია განვავითაროთ დაბალბიუჯეტიანი ბიოპრინტერი, რათა ბიო ბეჭდვა უფრო ხელმისაწვდომი გახდეს კვლევითი ინსტიტუტებისთვის. ამჟამად, დაბალი დონის ბიოპრინტერები ღირს დაახლოებით $ 10, 000, ხოლო მაღალი დონის ბიოპრინტერები დაახლოებით $ 170, 000. ამის საპირისპიროდ, ჩვენი პრინტერი შეიძლება აშენდეს დაახლოებით $ 375.

მარაგები

ნაწილები:

1. Ramps 1.4:
2. Arduino მეგა 2560:
3. სტეპერიანი მძღოლები:
4. დამატებითი სტეპერიანი ძრავა (სურვილისამებრ)
5. შემქმნელი სხივი 2 X 1 ინჩში
6. Maker beam attachment hardware
7. M3 ხრახნები ასორტიმენტის ზომები
8. M3 თხილი x2
9. 8 მმ ხრახნიანი ჯოხი
10. 8 მმ კაკალი
11. 608 ტარების
12. შესაკრავი კლიპი
13. ძაფისებრი
14. მონო ფასი V2
15. Zip კავშირები
16. M3 გათბობის ნაკრები 2 მმ სიგანე

ინსტრუმენტები:

1. საბურღი სხვადასხვა ზომის
2. Ხელის ბურღი
3. საბურღი პრესი
4. Hacksaw
5. Soldering რკინის + solder
6. მავთულის სტრიპტიზიორი
7. ნემსის ცხვირსახოცი
8. ექვსკუთხა გასაღებები სხვადასხვა ზომის

ლაბორატორიული მასალები:

1. პეტრი კერძები ~ 70 მმ დიამეტრით
2. 60 მლ შპრიცი Luer-lock წვერით
3. 10 მლ შპრიცი Luer-lock წვერით
4. ლუერ-საკეტის ფიტინგები
5. მილები ფიტინგებისთვის
6. T კონექტორი მილებისთვის
7. ცენტრიფუგა
8. ცენტრიფუგა მილები 60 მლ
9. სასწორი
10. აწონ -დაწონ ნავები
11. ავტოკლავი
12. ჭიქები
13. დამთავრებული ცილინდრი
14. 0.1 მ CaCl2 ხსნარი
15. აგაროზა
16. ალგინატი
17. მეთილცელულოზა
18. საქაროზა

პროგრამული უზრუნველყოფა:

1. Fusion 360 ან Solidworks
2. Arduino IDE
3. განმეორებითი მასპინძელი
4. Ultimaker Cura 4

ნაბიჯი 1: 3D პრინტერის არჩევა

ჩვენ ავირჩიეთ Monoprice MP Select მინი 3D პრინტერი V2, როგორც საწყისი 3D პრინტერი. ეს პრინტერი შეირჩა დაბალი ღირებულებისა და მაღალი ხელმისაწვდომობის გამო. გარდა ამისა, პრინტერის უაღრესად ზუსტი 3D მოდელი უკვე ხელმისაწვდომი იყო, რამაც დიზაინი გაადვილა. ეს ინსტრუქცია მორგებულია ამ კონკრეტულ პრინტერზე, მაგრამ მსგავსი პროცესი შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა საერთო FDM პრინტერებისა და CNC მანქანების გადასაყვანად.

მაღალი სიზუსტის მოდელი:

ნაბიჯი 2: 3D ბეჭდვა

მონოპრისის პრინტერის დაშლის წინ, რამდენიმე ნაწილის 3D ბეჭდვაა საჭირო 3D პრინტერის მოდიფიკაციისთვის. არსებობს პასტა ექსტრუდერების ვერსიები, ერთი რომელიც მოითხოვს ეპოქსიდს და ერთი რომელიც არა. ის, რაც მოითხოვს ეპოქსიდს, უფრო კომპაქტურია, მაგრამ უფრო რთული ასაწყობი.

ნაბიჯი 3: მოამზადეთ პრინტერი მოდიფიკაციისთვის

კოშკის წინა პანელი, ქვედა საფარი და მართვის პანელი უნდა მოიხსნას. ქვედა ნაწილის ამოღების შემდეგ, გათიშეთ ყველა ელექტრონიკა საკონტროლო დაფიდან და ამოიღეთ მართვის დაფა.

ნაბიჯი 4: ცვალებადი მთა

სხეული 1 და სხეული 14 მოითხოვს ორ სითბოს კომპლექტს. კორპუსი 1 დამონტაჟებულია პრინტერის ჩარჩოზე, ქამრის ქვეშ დამალული ორი M3 ჭანჭიკით. ჭანჭიკები შეიძლება გამოვლინდეს ქამრის გამკაცრების მოხსნით და ქამრის ერთ მხარეს გაწევით.

ნაბიჯი 5: Z Axis Switch

Z ღერძის გადამრთველი ისეა განლაგებული, რომ ნებისმიერი სიგრძის ნემსი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მომდევნო თანმიმდევრობით პროგრამული უზრუნველყოფის კომპენსაციის გარეშე. გადამრთველი უნდა იყოს დამონტაჟებული 2 M3 ხრახნით პრინტერის შასისთან პირდაპირ ამობეჭდვის წინ, რაც შეიძლება ახლოს დასაბეჭდი საწოლთან.

ნაბიჯი 6: გაყვანილობა

გაყვანილობა ხდება Ramps 1.4 სტანდარტების შესაბამისად. უბრალოდ მიჰყევით გაყვანილობის დიაგრამას. გათიშეთ და თუნუქის მავთულები, როგორც საჭიროა ტერმინალის ბლოკებისთვის. ზოგიერთი მავთული შეიძლება გაგრძელდეს.

ნაბიჯი 7: ეპოქსიდური ექსტრუდერი

მიუხედავად იმისა, რომ ამ ექსტრუდერს დასაბეჭდად ნაკლები დრო სჭირდება, ის იყენებს ეპოქსიდს, რაც ზრდის მთლიანი მშენებლობის დროს 24 საათზე მეტს. 8 მმ ხრახნიანი ჯოხი უნდა იყოს ეპოქსიდური 608 საყრდენზე და საყრდენი უნდა იყოს ეპოქსიდური 3D ნაბეჭდი ნაწილის სხეულზე 21. გარდა ამისა, თხილი ხრახნიანი ჯოხისთვის უნდა იყოს ეპოქსიდური სხეულზე 40. მას შემდეგ, რაც ეპოქსია სრულად განიკურნება, რეზინი 60 მლ და 10 მლ შპრიცის დგუშის რჩევები შეიძლება განთავსდეს შესაბამისად სხეულზე 9 და სხეულზე 21, შესაბამისად. შესაბამისი T იარაღი ვერ მოიძებნა, ასე რომ ნედლი ერთი დამზადდა 6 მმ -იანი სპილენძის მილებიდან და შედუღებით. ექსტრუდერი მოქმედებს როგორც ჰიდრავლიკური სისტემა, რომელიც ბიოინკს უბიძგებს 10 მლ შპრიცის ქვედა პალატიდან. ჰაერის ევაკუაცია შესაძლებელია სისტემიდან მილების ენერგიული შერყევით, ხოლო T ფიტინგის ყველაზე მაღალ წერტილზე დაჭერით.

ნაბიჯი 8: რეგულარული ჩასმის ექსტრუდერი

ეს ექსტრუდერი უბრალოდ შეიძლება ერთმანეთთან იყოს შეკრული. ამ ექსტრუდის მინუსი ის არის, რომ ის უფრო მოცულობითია და აქვს მაღალი უკუჩვენებები.

ნაბიჯი 9: ნაბიჯი 9: Arduino Firmware

Arduino– ს სჭირდება firmware სტეპერ დრაივერებისა და სხვა ელექტრონიკის გასაშვებად. ჩვენ ავირჩიეთ მარლინი, რადგან ის უფასოა, ადვილად შეცვლილია Arduino IDE– ით და კარგად არის მხარდაჭერილი. ჩვენ შევცვალეთ პროგრამული უზრუნველყოფა ჩვენი კონკრეტული აპარატურისთვის, მაგრამ სხვა პრინტერებისთვის მისი შეცვლა საკმაოდ მარტივია, რადგან ყველა კოდი არის კომენტარი და ნათლად ახსნილი. ორჯერ დააწკაპუნეთ MonopriceV2BioprinterFirmware.ino ფაილზე მარლინის კონფიგურაციის ფაილების გასახსნელად.

ნაბიჯი 10: კურა პროფილი

კურას პროფილი შეიძლება შემოიტანოს Ultimaker Cura 4.0.0 -ში და გამოიყენოს მაღალი ზედაპირის ბადეები უხვად გამოსაყენებლად რეაქტორში. Gcode– ის თაობა პრინტერისთვის ჯერ კიდევ ექსპერიმენტულია და დიდ მოთმინებას მოითხოვს. ასევე თან ერთვის საცდელი კოდი წრიული უხვი რეაქტორისათვის.

ნაბიჯი 11: დაწყების G კოდის შეცვლა

ჩასვით ეს კოდი G- კოდის დასაწყებად:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

რეპეტიერში, დაწყებული Gcode- ის შესაცვლელად გადადით slicer-> Configuration-> G-codes-> start G- კოდები. აუცილებელია თითოეული კონკრეტული შემთხვევისთვის G92 Z მნიშვნელობის შეცვლა. ნელა გაზარდეთ მნიშვნელობა მანამ, სანამ ნემსი არ იქნება სასურველ მანძილზე პეტრის ჭურჭლის ზედაპირიდან დაბეჭდვის დასაწყისში.

ნაბიჯი 12: ბიოაზრის შექმნა

პროგრამისთვის შესაფერისი Bioink– ის შემუშავების პროცესი რთულია. ეს არის პროცესი, რომელსაც ჩვენ მივყვეთ:

Შემაჯამებელი

ჰიდროგელი შესაფერისია დარტყმისადმი მგრძნობიარე მცენარეული უჯრედებისთვის და აქვს ღია მაკროპორები, რათა მოხდეს დიფუზია. ჰიდროგელი მზადდება აგარიზას, ალგინატის, მეთილცელულოზის და საქაროზის დეონიზირებულ წყალში და უჯრედების დამატებით. გელი არის ბლანტი, სანამ არ განიკურნება 0.1 მ კალციუმის ქლორიდით, რაც მას მტკიცეს ხდის. კალციუმის ქლორიდის სამკურნალო ხსნარი კავშირშია ალგინატთან, რათა გამძლე იყოს. ალგინატი არის გელის საფუძველი, მეთილცელულოზა ჰომოგენიზირებს გელს, ხოლო აგაროზა უზრუნველყოფს მეტ სტრუქტურას, ვინაიდან ის გელდება ოთახის ტემპერატურაზე. საქაროზა საკვებს აძლევს უჯრედებს, რომ განაგრძონ ზრდა ჰიდროგელში.

გელის გადამოწმების ზოგიერთი ექსპერიმენტის მოკლე მიმოხილვა

ჩვენ შევამოწმეთ სხვადასხვა ჰიდროგელი სხვადასხვა რაოდენობით აგაროზით და ჩავწერეთ მისი თანმიმდევრულობა, რამდენად ადვილად იბეჭდება იგი და იძირება თუ იძირება სამკურნალო ხსნარში. ალგინატის პროცენტის შემცირებამ ლარი ძალიან თხევადი გახადა და დაბეჭდვის შემდეგ მან ვერ შეინარჩუნა ფორმა. ალგინატის პროცენტული გაზრდის შედეგად სამკურნალო ხსნარმა იმდენად სწრაფად იმუშავა, რომ ლარი განკურნავდა ზედა ფენამდე გამყარებამდე. ჰიდროგელი, რომელიც ინარჩუნებს ფორმას და არ იკურნება ძალიან სწრაფად, შეიქმნა 2,8% წონით ალგინატის გამოყენებით.

როგორ განვავითაროთ ჰიდროგელი

მასალები

აგაროზა (0.9 %wt %)

ალგინატი (2.8 %)

მეთილცელულოზა (3.0%wt%)

საქაროზა (3.0%wt%)

კალციუმის ქლორიდი.1 მ (147.001 გ/მოლი)

ddH20

უჯრედის აგრეგატები

2 გარეცხილი და გამხმარი ჭიქა

1 შერევით სპატულა

ალუმინის კილიტა

პლასტიკური მასის ქაღალდი

დამთავრებული ცილინდრი

Პროცედურა

ჰიდროგელის დამზადება:

1. გაზომეთ ddH20- ის კონკრეტული რაოდენობა იმის საფუძველზე, თუ რამდენი გელი ხსნარის მომზადება გსურთ. გამოიყენეთ დამთავრებული ცილინდრი ddH20- ის კონკრეტული მოცულობის მისაღებად.
2. ჰიდროგელის ხსნარი შეიცავს ალგინატს (2.8 %), აგაროზას (0.9 %), საქაროზას (3 %wt) და მეთილცელულოზას (3 %wt %). ჰიდროგელის ხსნარის კომპონენტების სწორი ნაწილი გაიზომება პლასტიკური მასის ქაღალდის გამოყენებით.
3. ყველა კომპონენტის აწონვის დასრულების შემდეგ, ერთ მშრალ ჭიქაში დაამატეთ ddh20, საქაროზა, აგაროზა და ბოლოს ნატრიუმის ალგინატი. აურიეთ, რომ აურიოთ, მაგრამ არ გამოიყენოთ სპატულა, რადგან ფხვნილი მიმაგრებულია სპატულაზე.
4. შერევის შემდეგ, ჭიქის ზედა ნაწილი კარგად გადააფარეთ ალუმინის კილიტა და დაასახელეთ. ფოლგის თავზე დაამატეთ ავტოკლავის ფირის ნაჭერი.
5. ჩაასხით დარჩენილი მეთილცელულოზა მეორე მშრალ ჭიქაში და გადაიტანეთ იგი ალუმინის ფოლგაში, როგორც წინა ჭიქაში. მონიშნეთ ეს ჭიქა და დაამატეთ ავტოკლავის ლენტი კილიტაზე თავზე.
6. გადააფარეთ 1 სპატული ალუმინის ფოლგაში და დარწმუნდით, რომ არცერთი არ არის გამოვლენილი. დაამატეთ ავტოკლავის ფირზე გახვეული სპატული.
7. სტერილიზაციის ციკლის განმავლობაში 2 ჭიქა და 1 შპატოლი 121 C ტემპერატურაზე 20 წუთის განმავლობაში ავტოკლავდება. არ გამოიყენოთ ავტოკლავი სტერილურ და მშრალ ციკლში.
8. მას შემდეგ, რაც ავტოკლავის ციკლი დასრულდება, მიეცით საშუალება გელი გაცივდეს ოთახის ტემპერატურაზე და როგორც კი მიაღწევს მას, დაიწყეთ მუშაობა ბიოლოგიური უსაფრთხოების კაბინეტში.
9. დარწმუნდით, რომ დაიბანეთ ხელები და მკლავები და გამოიყენეთ სათანადო ასეპტიური ტექნიკა ბიოუსაფრთხოების კაბინეტში მუშაობისას. ასევე დარწმუნდით, რომ არ შეხვიდეთ უშუალო კონტაქტში საგნებთან, რომლებიც შეეხება გელს ან გელთან ახლოს (მაგ.: სპატულის შერევის ბოლო, ან ალუმინის ფოლგის რეგიონი, რომელიც ზის გელზე)
10. ბიოუსაფრთხოების კაბინეტში შეურიეთ მეთილცელულოზა გელში, რომ მიიღოთ ერთგვაროვანი გავრცელება. შერევის დასრულების შემდეგ, გადაახვიეთ თავზე შერეული გელის ხსნარი და მოათავსეთ მაცივარში მთელი ღამით.
11. აქედან გელი შეიძლება გამოყენებულ იქნას უჯრედების შესანახად ან სხვა გამოყენებისთვის, როგორიცაა ბეჭდვა.

უჯრედების დამატება:

1. გაფილტრეთ უჯრედები ისე, რომ ისინი იგივე ზომის იყოს. ჩვენი გაფილტვრის პროცედურაა

   მსუბუქად გახეხეთ უჯრედები პეტრინის კერძიდან და გამოიყენეთ 380 მიკრომეტრიანი საცერი უჯრედების გასაფილტრად.

2. ნაზად აურიეთ გაფილტრული უჯრედები ჰიდროგელის ხსნარში ბრტყელი თავის სპატულის გამოყენებით, რათა თავიდან აიცილოთ ნარევი (ავტოკლავირებული).
3. შერევის შემდეგ უჯრედები ცენტრიფუგავენ ბუშტებს
4. აქედან ჰიდროგელი დასრულებულია და შეიძლება გამოყენებულ იქნას დასაბეჭდად, სამკურნალოდ და სამომავლო ექსპერიმენტებისთვის.

როგორ განვავითაროთ სამკურნალო ხსნარი (0.1 მ კალციუმის ქლორიდი, CaCl2)

მასალები

Კალციუმის ქლორიდი

ddH20

საქაროზა (3 %wt %)

პროცედურა (1 ლ სამკურნალო ხსნარის დასამზადებლად)

1. გაზომეთ 147.01 გ კალციუმის ქლორიდი, 30 მლ საქაროზა და 1 ლ ddH20.
2. შეურიეთ კალციუმის ქლორიდი, საქაროზა და ddH20 დიდ ჭიქაში ან კონტეინერში.
3. ჩაასხით გელი სამკურნალო ხსნარში მინიმუმ 10 წუთის განმავლობაში გასაშრობად.

ნაბიჯი 13: დაბეჭდეთ

თეორიულად, ბიო ბეჭდვა ძალზედ მარტივია; თუმცა, პრაქტიკაში, არსებობს მრავალი ფაქტორი, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს წარუმატებლობა. ამ გელით ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ რამოდენიმე რამის გაკეთება შეიძლება ჩვენი განაცხადის წარმატების მაქსიმალურად გაზრდის მიზნით:

1. გამოიყენეთ მცირე რაოდენობით CaCl2 ხსნარი გელის ნაწილობრივ დასაბანად დაბეჭდვისას,
2. გამოიყენეთ ქაღალდის პირსახოცი პეტრინის ჭურჭლის ქვედა ნაწილში წებოვნების გასაუმჯობესებლად
3. გამოიყენეთ ქაღალდის პირსახოცი, რომ თანაბრად გადაანაწილოთ მცირე რაოდენობით CaCl2 მთელ ანაბეჭდზე
4. გამოიყენეთ flowrate სლაიდერი Repetier– ში, რომ იპოვოთ სწორი ნაკადის სიჩქარე

სხვადასხვა პროგრამებისთვის და სხვადასხვა გელისთვის შეიძლება საჭირო გახდეს სხვადასხვა ტექნიკის გამოყენება. ჩვენი პროცედურა შეიქმნა რამდენიმე თვის განმავლობაში. მოთმინება არის მთავარი.

წარმატებებს გისურვებთ, თუ თქვენ ცდილობთ ამ პროექტს და მოგერიდებათ დასვათ რაიმე შეკითხვა.

პირველი პრიზი არდუინოს კონკურსში 2019