Bioprinter me kosto të ulët: 13 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:17

Ne jemi një ekip kërkimor i udhëhequr nga studentët në UC Davis. Ne jemi pjesë e Grupit BioInnovation, i cili vepron në Laboratorin e Prototipimit dhe BioInnovacionit të TEAM -it (Këshilltarët Dr. Marc Facciotti, dhe Andrew Yao, MS). Laboratori mbledh studentë me prejardhje të ndryshme për të punuar në këtë projekt (inxhinieri mekanike/kimike/biom).

Pak sfond në këtë projekt është se ne filluam printimin e qelizave të orizit transgjenik në bashkëpunim me Dr. Karen McDonald të departamentit ChemE me qëllim zhvillimin e një bioprinteri me kosto të ulët për ta bërë printimin biologjik më të arritshëm për institucionet kërkimore. Aktualisht, bioprinterët e nivelit të ulët kushtojnë afërsisht $ 10, 000 ndërsa bioprinterët e nivelit të lartë kushtojnë rreth $ 170, 000. Në të kundërt, printeri ynë mund të ndërtohet për afërsisht $ 375.

Furnizimet

Pjesët:

1. Rampet 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Drejtuesit e motorëve stepper:
4. Motori stepper shtesë (opsional)
5. Rrezja e krijuesit 2 në X 1 inç
6. Pajisjet e bashkëngjitjes së rrezeve të krijuesit
7. Vida M3 me madhësi të ndryshme
8. M3 arra x2
9. Shufër e filetuar 8 mm
10. Arrë 8 mm
11. 608 duke mbajtur
12. Klip lidhës
13. Fije
14. Monoprice V2
15. Lidhëse zip
16. Arrat e ngrohjes M3 të vendosura në gjerësi 2mm

Mjetet:

1. Stërvitni copa të madhësive të ndryshme
2. Stërvitje dore
3. Shtypi i stërvitjes
4. Sharrë hekuri
5. Saldim + saldim
6. Zhveshës me tela
7. Pincë hundë me gjilpërë
8. Çelësa gjashtëkëndësh me madhësi të ndryshme

Furnizimet e laboratorit:

1. Enët Petri diameter 70 mm diametër
2. Shiringë 60 ml me majë Luer-lock
3. Shiringë 10 ml me majë Luer-lock
4. Pajisje Luer-lock
5. Tub për pajisje
6. T Lidhës për tuba
7. Centrifugë
8. Tubat e centrifugës 60ml
9. Shkallë
10. Peshoni anije
11. Autoklavë
12. Gota
13. Cilindër i diplomuar
14. 0.1M tretësirë CaCl2
15. Agarozë
16. Alginate
17. Metilcelulozë
18. Sakroze

Softuer:

1. Fusion 360 ose Solidworks
2. Arduino IDE
3. Mikpritës i përsëritur
4. Ultimaker Cura 4

Hapi 1: Zgjedhja e një Printeri 3D

Ne zgjodhëm Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 si printerin fillestar 3D. Ky printer është zgjedhur për shkak të kostos së ulët dhe disponueshmërisë së lartë. Për më tepër, një model 3D shumë i saktë i printerit ishte tashmë në dispozicion, gjë që e bëri dizajnin më të lehtë. Ky udhëzues do të përshtatet për këtë printer specifik, por një proces i ngjashëm mund të përdoret për të konvertuar printerë të tjerë të zakonshëm FDM dhe makina CNC.

Modeli me saktësi të lartë:

Hapi 2: Shtypja 3D

Para çmontimit të printerit Monoprice, disa pjesë duhet të printohen 3D për modifikimin e printerit 3D. Ka versione të ekstruderëve të pastës, një që kërkon epoksi dhe një që nuk kërkon. Ai që kërkon epoksi është më kompakt, por më i vështirë për tu montuar.

Hapi 3: Përgatitni printerin për modifikim

Paneli i kullës së përparme, mbulesa e poshtme dhe paneli i kontrollit duhet të hiqen. Pasi të jetë hequr pjesa e poshtme, shkëputni të gjitha pajisjet elektronike nga bordi i kontrollit dhe hiqni bordin e kontrollit.

Hapi 4: Mal i Këmbyeshëm

Trupi 1 dhe Trupi 14 secila kërkojnë dy arra të vendosura për ngrohje. Trupi 1 është montuar në kornizën e printerit nga dy bulonat M3 të fshehur nën rrip. Bulonat mund të zbulohen duke hequr tensionuesin e rripit dhe duke e tërhequr rripin në njërën anë.

Hapi 5: Ndërrimi i boshtit Z

Ndërprerësi i boshtit Z ripozicionohet në mënyrë që çdo gjilpërë me gjatësi të mund të përdoret gjatë sekuencës së kthimit pa kompensuar në softuer. Çelësi duhet të montohet me 2 vida M3 në shasinë e printerit direkt nën kokën e printimit sa më afër shtratit të printimit.

Hapi 6: Instalimet elektrike

Instalimet elektrike bëhen në përputhje me standardet Ramps 1.4. Thjesht ndiqni diagramin e instalimeve elektrike. Prerë dhe kallaji telat sipas nevojës për blloqet e terminalit. Disa tela mund të kenë nevojë të zgjaten.

Hapi 7: Ekstruder epoksi

Ndërsa ky ekstruder kërkon më pak kohë për tu printuar, ai përdor epoksi i cili e rrit kohën totale të ndërtimit në mbi 24 orë. Shufra e filetuar 8mm duhet të jetë epoxied në kushinetën 608 dhe kushineta duhet të epoxied në copën 3D të shtypur Trupi 21. Për më tepër, arrë për shufrën e filetuar duhet të epoxied në Body 40. Pasi epoxy është shëruar plotësisht, gome këshilla nga kutitë e shiringës 60ml dhe 10 ml mund të vendosen mbi Trupin 9 dhe Trupin 21, respektivisht. Një pajisje e përshtatshme T nuk mund të gjendej, kështu që një i papërpunuar u bë nga tuba bronzi 6mm dhe lidhës. Ekstruderi vepron si një sistem hidraulik i cili e shtyn Bioinkun nga dhoma e poshtme e shiringës 10 ml. Ajri mund të evakuohet nga sistemi duke tundur fuqishëm tubat ndërsa mban pajisjen T në pikën më të lartë.

Hapi 8: Nxjerrësi i rregullt i ngjitjes

Ky ekstruder thjesht mund të lidhet së bashku. E keqja e këtij ekstruderi është se është më e rëndë dhe ka reagime të larta.

Hapi 9: Hapi 9: Firmware Arduino

Arduino ka nevojë për firmware për të drejtuar drejtuesit stepper dhe pajisje të tjera elektronike. Ne zgjodhëm Marlin pasi është falas, modifikohet lehtësisht me Arduino IDE dhe mbështetet mirë. Ne kemi modifikuar firmuerin për pajisjet tona specifike, por është mjaft e thjeshtë të modifikohet për printerët e tjerë sepse i gjithë kodi komentohet dhe shpjegohet qartë. Klikoni dy herë në skedarin MonopriceV2BioprinterFirmware.ino për të hapur skedarët e konfigurimit marlin.

Hapi 10: Profili Cura

Profili Cura mund të importohet në Ultimaker Cura 4.0.0 dhe të përdoret për të bërë rrjeta me sipërfaqe të lartë për përdorim në një reaktor të bollshëm. Gjenerimi i Gcode për printerin është ende shumë eksperimental dhe kërkon shumë durim. Gjithashtu është bashkangjitur një kod kod provë për një reaktor të përhapur rrethor.

Hapi 11: Ndryshimi i kodit G të Fillimit

Ngjiteni këtë kod në fillimin e cilësimit të kodit G:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Në Repetier, për të modifikuar fillimin e Gcode shkoni te slicer-> Configuration-> G-codes-> start G-codes. Necessaryshtë e nevojshme të modifikoni vlerën G92 Z për secilin rast të veçantë. Ngadalë rrisni vlerën derisa gjilpëra të jetë distanca e dëshiruar nga sipërfaqja e enës Petri në fillim të printimit.

Hapi 12: Krijimi i Bioink

Procesi për zhvillimin e një Bioink të përshtatshëm për një aplikim është kompleks. Ky është procesi që ndoqëm:

Përmbledhje

Hidrogeli është i përshtatshëm për qelizat bimore të ndjeshme ndaj qethjes dhe ka makropora të hapura për të lejuar shpërndarjen. Hidrogeli bëhet duke shpërndarë agarozën, alginatin, metilcelulozën dhe saharozën në ujë të deionizuar dhe duke shtuar qeliza. Xheli është viskoz derisa të shërohet me 0.1M klorur kalciumi, gjë që e bën atë të fortë. Zgjidhja e shërimit të klorurit të kalciumit lidhet me alginatin për ta bërë atë të fortë. Alginati është baza e xhelit, metilceluloza e homogjenizon xhelin, dhe agaroza siguron më shumë strukturë pasi xhelizohet në temperaturën e dhomës. Sakaroza siguron ushqim për qelizat që të vazhdojnë të rriten në hidrogel.

Një përmbledhje e shkurtër e disa prej eksperimenteve për të verifikuar xhelin

Ne testuam hidrogelë të ndryshëm me sasi të ndryshme të agarozës dhe regjistruam konsistencën e tij, sa lehtë u shtyp dhe nëse u fundos ose lundroi në tretësirën shëruese. Ulja e përqindjes së alginatit e bëri xhelin shumë të lëngshëm dhe nuk ishte në gjendje të mbante formën e tij pas printimit. Rritja e përqindjes së alginatit e bëri tretësirën shëruese të punojë aq shpejt, saqë xhel të shërohet para se të ngjitet në shtresën e sipërme. Një hidrogel që mban formën e tij dhe nuk shërohet shumë shpejt u zhvillua duke përdorur 2.8% wg% alginat.

Si të zhvillohet një hidrogel

Materiale

Agaroza (0.9 %wt)

Alginat (2.8 %wt %)

Metilceluloza (3.0 wt%)

Sukroza (3.0%wt%)

Klorur kalciumi. 1M (147.001 g/mol)

ddH20

agregatët e qelizave

2 gota të lara dhe të thata

1 Spatulë përzierëse

Petë alumini

Letër Plastike për Peshim

Cilindër i diplomuar

Procedura

Përgatitja e hidrogjelit:

1. Matni një sasi specifike të ddH20 bazuar në sasinë e zgjidhjes së xhelit që dëshironi të përgatitni. Përdorni cilindrin e diplomuar për të marrë një vëllim specifik ddH20.
2. Tretësira hidrogel do të përmbajë Alginate (2.8 wt %)), Agarozë (0.9 wt %), saharozë (3 wt %) dhe metilcelulozë (3 wt %). Pjesët e duhura të përbërësve të tretësirës hidrogel do të maten duke përdorur letër plastike të peshimit.
3. Kur të përfundoni peshimin e të gjithë përbërësve, shtoni ddh20, sakarozë, agarozë dhe së fundi alginat natriumi në një nga gotat e thata. Rrotulloni për përzierje por mos përdorni shpatull për përzierje sepse pluhuri do të ngjitet në shpatull.
4. Pasi të përzihet, mbështilleni pjesën e sipërme të gotës me letër alumini dhe etiketoni gotën. Shtoni një copë kasetë autoklavë në majë të fletës.
5. Vendosni metilcelulozën e mbetur në gotën tjetër të thatë dhe mbështilleni me letër alumini si gota e mëparshme. Etiketoni këtë gotë dhe shtoni një copë kasetë autoklavë në majë të fletës.
6. Mbështilleni 1 shpatull me letër alumini dhe sigurohuni që asnjëra prej saj të mos jetë e ekspozuar. Shtoni shirit autoklavë në shpatullën e mbështjellë.
7. Autoklavoni 2 gota dhe 1 shpatull në 121 C për 20 minuta gjatë ciklit të sterilizimit. MOS E P USRDORNI AUTOKLAVIN N A CIKL STERILE DHE T DR THAR.
8. Pasi të ketë përfunduar cikli i autoklavës, lëreni xhelin të ftohet në temperaturën e dhomës dhe pasi ta ketë arritur atë, filloni të veproni në Kabinetin e Sigurisë Biologjike.
9. Sigurohuni që të lani duart dhe krahët dhe përdorni teknikën e duhur aseptike sapo të veproni në kabinetin e biosigurisë. Gjithashtu sigurohuni që të mos bini në kontakt të drejtpërdrejtë me objekte që do të prekin xhelin ose do të jenë afër xhelit (p.sh.: skaji i përzierjes së shpatullës, ose rajoni i fletëve të aluminit që ulet mbi xhel)
10. Në kabinetin e biosigurisë përzieni metilcelulozën në xhel për të marrë përhapje homogjene. Pasi të keni përfunduar përzierjen, rindërtoni pjesën e sipërme të tretësirës së përzier të xhelit dhe vendoseni në frigorifer gjatë natës.
11. Prej këtu xheli mund të përdoret për futjen e qelizave ose për përdorime të tjera si printimi.

Shtimi i qelizave:

1. Filtroni qelizat në mënyrë që të kenë të njëjtën madhësi. Procedura jonë për filtrimin është

   Qëroni lehtë qelizat nga pjata petri dhe përdorni një sitë 380 mikrometër për të filtruar qelizat.

2. Përziejini butësisht qelizat e filtruara në tretësirën hidrogel duke përdorur një shpatull me kokë të sheshtë për të shmangur humbjen e përzierjes (që është autoklavuar).
3. Pas përzierjes së qelizave, centrifugoni flluskat
4. Nga këtu hidrogeli është i plotë dhe mund të përdoret për printim, shërim dhe eksperimente të ardhshme.

Si të zhvillohet tretësira shëruese (0.1M klorur kalciumi, CaCl2)

Materiale

Klorur kalciumi

ddH20

Sukrozë (3 %wt)

Procedura (për të bërë 1L tretësirë shëruese)

1. Matni 147.01g klorur kalciumi, 30 ml sakarozë dhe 1L ddH20.
2. Përzieni klorur kalciumi, sakarozë dhe ddH20 në një gotë ose enë të madhe.
3. Zhyt xhelin në tretësirën shëruese për të paktën 10 minuta për tu kuruar.

Hapi 13: Shtyp

Në teori, Bioprinting është jashtëzakonisht e thjeshtë; megjithatë, në praktikë, ka shumë faktorë që mund të shkaktojnë dështime. Me këtë xhel, ne kemi gjetur se disa gjëra mund të bëhen për të maksimizuar suksesin për aplikimin tonë:

1. Përdorni sasi të vogla të tretësirës CaCl2 për të kuruar pjesërisht xhelin gjatë printimit,
2. Përdorni një peshqir letre në fund të pjatës petri për të rritur ngjitjen
3. Përdorni një peshqir letre për të shpërndarë në mënyrë të barabartë sasi të vogla të CaCl2 në të gjithë printimin
4. përdorni rrëshqitësin e rrjedhës në Repetier për të gjetur rrjedhën e duhur

Për aplikime të ndryshme dhe xhel të ndryshëm, teknika të ndryshme mund të kenë nevojë të përdoren. Procedura jonë u krijua për disa muaj. Durimi është çelësi.

Fat i mirë nëse provoni këtë projekt dhe mos ngurroni të bëni ndonjë pyetje.

Çmimi i Parë në Konkursin Arduino 2019