Биопринтер на ниска цена: 13 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Ние сме изследователски екип, ръководен от студенти в UC Davis. Ние сме част от BioInnovation Group, която работи в лабораторията за молекулярно прототипиране и биоинновации на TEAM (съветници д -р Марк Фачоти и Андрю Яо, MS). Лабораторията събира студенти от различни среди, които да работят по този проект (механо -химическо/биомедично инженерство).

Малко предистория на този проект е, че започнахме да печатаме трансгенни оризови клетки в сътрудничество с д-р Карън Макдоналд от отдела ChemE с цел да разработим евтин биопринтер, за да направим биопечатът по-достъпен за изследователските институции. В момента биопринтерите от нисък клас струват приблизително 10 000 долара, докато биопринтерите от висок клас струват приблизително 170 000 долара. За разлика от това, нашият принтер може да бъде изработен за приблизително 375 долара.

Консумативи

Части:

1. Рампи 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Драйвери за стъпков двигател:
4. Допълнителен стъпков двигател (по избор)
5. Лъч за създаване 2 в X 1 in
6. Хардуер за закрепване на греда на създателя
7. Винтове М3 различни размери
8. M3 гайки x2
9. 8 мм резбован прът
10. 8 мм гайка
11. Лагер 608
12. Свързваща скоба
13. Нишка
14. Monoprice V2
15. Връзки с цип
16. M3 нагряващи гайки с ширина 2 мм

Инструменти:

1. Свредла с различни размери
2. Ръчна бормашина
3. Преса за свредла
4. Ножовка
5. Поялник + спойка
6. Машина за сваляне на тел
7. Клещи за иглени носове
8. Шестостенни ключове с различни размери

Лабораторни консумативи:

1. Чаши Петри ~ 70 мм в диаметър
2. 60 ml спринцовка с накрайник Luer-lock
3. 10 ml спринцовка с накрайник Luer-lock
4. Луер-фитинги
5. Тръби за фитинги
6. T Съединител за тръби
7. Центрофуга
8. Центрофужни епруветки 60ml
9. Мащаб
10. Претеглете лодки
11. Автоклав
12. Чаши
13. Градуиран цилиндър
14. 0,1 М разтвор на CaCl2
15. Агароза
16. Алгинат
17. Метилцелулоза
18. Захароза

Софтуер:

1. Fusion 360 или Solidworks
2. Arduino IDE
3. Повторителен домакин
4. Ultimaker Cura 4

Стъпка 1: Избор на 3D принтер

Избрахме Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 като стартов 3D принтер. Този принтер е избран поради ниската си цена и високата наличност. Освен това вече беше наличен много точен 3D модел на принтера, което улеснява проектирането. Тази инструкция ще бъде пригодена за този конкретен принтер, но подобен процес може да се използва за конвертиране на други обичайни FDM принтери и CNC машини.

Модел с висока точност:

Стъпка 2: 3D печат

Преди да разглобите принтера Monoprice, няколко части трябва да бъдат 3D отпечатани за модифициране на 3D принтера. Има версии на екструдерите за паста, една, която изисква епоксидна смола, и друга, която не. Този, който изисква епоксидна смола, е по -компактен, но по -труден за сглобяване.

Стъпка 3: Подгответе принтера за промяна

Предният панел на кулата, долният капак и контролния панел трябва да бъдат премахнати. След като дъното е отстранено, изключете цялата електроника от контролната платка и извадете контролната платка.

Стъпка 4: Сменяем монтаж

Корпус 1 и Корпус 14 се нуждаят от по две нагряващи гайки. Корпусът 1 е монтиран към рамката на принтера чрез двата болта M3, скрити под колана. Болтовете могат да бъдат разкрити, като премахнете обтегача на колана и го издърпате на една страна.

Стъпка 5: Превключвател на оста Z

Превключвателят по оста Z е преместен така, че иглата с всякаква дължина може да се използва по време на последователността на насочване, без да се компенсира в софтуера. Превключвателят трябва да бъде монтиран с 2 винта M3 към шасито на принтера директно под печатащата глава възможно най -близо до печатащото легло.

Стъпка 6: Окабеляване

Окабеляването се извършва в съответствие със стандартите Ramps 1.4. Просто следвайте електрическата схема. Отрежете и оловете проводниците, колкото е необходимо за клемните блокове. Някои кабели може да се наложи да бъдат удължени.

Стъпка 7: Епоксиден екструдер

Докато този екструдер отнема по -малко време за печат, той използва епоксидна смола, която увеличава общото време за изграждане до над 24 часа. 8 -милиметровият резбован прът трябва да се епоксира към лагера 608, а лагерът да се епоксира към 3D отпечатаното парче тяло 21. Освен това гайката за резбования прът трябва да се епоксира към тялото 40. След като епоксидът е напълно втвърден, гумата накрайници от буталата за спринцовки от 60 ml и 10 ml могат да се поставят съответно върху Body 9 и Body 21. Не може да се намери подходящ Т -фитинг, така че суровият е направен от 6 мм месингови тръби и спойка. Екструдерът действа като хидравлична система, която изтласква Bioink от долната камера на спринцовката от 10 ml. Въздухът може да се изведе от системата чрез енергично разклащане на тръбите, като същевременно държите Т фитинга в най -високата точка.

Стъпка 8: Обикновен екструдер за поставяне

Този екструдер може просто да бъде закрепен заедно. Недостатъкът на този екструдер е, че той е по -обемист и има висока реакция.

Стъпка 9: Стъпка 9: Фърмуер на Arduino

Arduino се нуждае от фърмуер за стартиране на стъпкови драйвери и друга електроника. Избрахме Marlin, тъй като е безплатен, лесно модифициран с Arduino IDE и добре поддържан. Променихме фърмуера за нашия специфичен хардуер, но е доста лесен за промяна за други принтери, защото целият код е коментиран и ясно обяснен. Щракнете двукратно върху файла MonopriceV2BioprinterFirmware.ino, за да отворите конфигурационните файлове на marlin.

Стъпка 10: Профил на Cura

Профилът на Cura може да бъде импортиран в Ultimaker Cura 4.0.0 и да се използва за направа на мрежи с голяма повърхност за използване в реактор за изобилие. Генерирането на Gcode за принтера все още е силно експериментално и изисква много търпение. Приложен е и изпитен gcode за кръгов реактор с изолация.

Стъпка 11: Промяна на стартовия G-код

Поставете този код в началната настройка на G-кода:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

В Repetier, за да промените началния Gcode, отидете на slicer-> Конфигурация-> G-кодове-> стартирайте G-кодове. Необходимо е да промените стойността на G92 Z за всеки конкретен случай. Бавно увеличавайте стойността, докато иглата е на желаното разстояние от повърхността на чашата на Петри в началото на отпечатването.

Стъпка 12: Създаване на Bioink

Процесът за разработване на Bioink, подходящ за приложение, е сложен. Това е процесът, който следвахме:

Резюме

Хидрогелът е подходящ за чувствителни към срязване растителни клетки и има отворени макропори, за да позволи дифузия. Хидрогелът се получава чрез разтваряне на агароза, алгинат, метилцелулоза и захароза в дейонизирана вода и добавяне на клетки. Гелът е вискозен, докато не се втвърди с 0,1 М калциев хлорид, което го прави здрав. Разтворът за втвърдяване на калциев хлорид се свързва с алгината, за да стане здрав. Алгинатът е основата на гела, метилцелулозата хомогенизира гела, а агарозата осигурява повече структура, тъй като се желира при стайна температура. Захарозата осигурява храна за клетките да продължат да растат в хидрогела.

Кратък преглед на някои от експериментите за проверка на гела

Тествахме различни хидрогелове с различни количества агароза и записахме неговата консистенция, колко лесно се отпечатва и дали потъва или плава в разтвора за втвърдяване. Намаляването на процента на алгината направи гела твърде течен и той не успя да запази формата си след отпечатване. Увеличаването на процента на алгината накара втвърдяващия разтвор да действа толкова бързо, че гелът да се втвърди, преди да се залепи за горния слой. Хидрогел, който запазва формата си и не се втвърдява твърде бързо, е разработен с използване на 2,8 тегл.% Алгинат.

Как да разработим хидрогел

Материали

Агароза (0,9 тегл. %)

Алгинат (2,8 тегл. %)

Метилцелулоза (3,0 тегл.%)

Захароза (3,0 тегл.%)

Калциев хлорид, 1 М (147,001 г/мол)

ddH20

клетъчни агрегати

2 измити и изсушени чаши

1 Смесваща шпатула

Алуминиево фолио

Пластмасова хартия за претегляне

Градуен цилиндър

Процедура

Приготвяне на хидрогел:

1. Измерете определено количество ddH20 въз основа на това колко гел разтвор искате да приготвите. Използвайте градуирания цилиндър, за да получите специфичен обем ddH20.
2. Разтворът на хидрогела ще съдържа алгинат (2,8 тегл. %)), Агароза (0,9 тегл. %), Захароза (3 тегл. %) И метилцелулоза (3 тегл. %). Подходящите части от компонентите на хидрогеловия разтвор ще бъдат измерени с помощта на пластмасова хартия за претегляне.
3. Когато приключите с претеглянето на всички компоненти, добавете ddh20, захароза, агароза и накрая натриев алгинат в една от сухите чаши. Завъртете, за да смесите, но не използвайте шпатула за смесване, защото прахът ще се залепи за шпатулата.
4. След като се смеси, увийте горната част на чашата с алуминиево фолио правилно и маркирайте чашата. Добавете парче автоклавна лента към горната част на фолиото.
5. Поставете останалата метилцелулоза в другата суха чаша и я увийте в алуминиево фолио като предишната чаша. Етикетирайте тази чаша и добавете парче автоклавна лента към горната част на фолиото.
6. Увийте 1 шпатула в алуминиево фолио и се уверете, че нито една от тях не е открита. Добавете автоклавна лента към опакованата шпатула.
7. Автоклавирайте 2 -те чаши и 1 шпатула при 121 ° С за 20 минути по време на цикъла на стерилизация. НЕ ИЗПОЛЗВАЙТЕ АВТОКЛАВА В СТЕРИЛЕН И СУХ ЦИКЛ.
8. След като цикълът на автоклава приключи, оставете гела да се охлади до стайна температура и след като го достигне, започнете работа в шкафа за биологична безопасност.
9. Измийте ръцете и ръцете и използвайте подходяща асептична техника, след като работите в шкафа за биологична безопасност. Също така се уверете, че не влизате в директен контакт с предмети, които ще докоснат гела или ще бъдат близо до гела (напр.: краят на смесване на шпатулата или областта на алуминиевите фолиа, която седи над гела)
10. В шкафа за биологична безопасност смесете метилцелулозата в гела, за да получите хомогенно разпръскване. След приключване на смесването, отново увийте смесения разтвор на гел и поставете в хладилника за една нощ.
11. Оттук гелът може да се използва за въвеждане на клетките или за други цели като печат.

Добавяне на клетки:

1. Филтрирайте клетките, така че да са с еднакъв размер. Нашата процедура за филтриране е

   Леко изстържете клетките от петриевата чаша и използвайте сито от 380 микрометра, за да филтрирате клетките.

2. Внимателно смесете филтрираните клетки в разтвора на хидрогела, като използвате шпатула с плоска глава, за да избегнете загуба на сместа (които са автоклавирани).
3. След смесване на клетките центрофугирайте мехурчетата
4. От тук хидрогелът е завършен и може да се използва за отпечатване, втвърдяване и бъдещи експерименти.

Как да се разработи втвърдяващия разтвор (0,1 М калциев хлорид, CaCl2)

Материали

Калциев хлорид

ddH20

Захароза (3 тегл. %)

Процедура (за приготвяне на 1L разтвор за втвърдяване)

1. Измерете 147.01g калциев хлорид, 30mL захароза и 1L ddH20.
2. Смесете калциев хлорид, захароза и ddH20 в голяма чаша или контейнер.
3. Потопете гела в втвърдяващия разтвор за поне 10 минути, за да се втвърди.

Стъпка 13: Печат

На теория биопечатът е изключително прост; на практика обаче има много фактори, които могат да причинят неуспехи. С този гел открихме, че няколко неща могат да бъдат направени, за да се постигне максимален успех за нашето приложение:

1. Използвайте малки количества разтвор на CaCl2 за частично втвърдяване на гела по време на печат,
2. Използвайте хартиена кърпа в долната част на петриевата чиния, за да увеличите адхезията
3. Използвайте хартиена кърпа, за да разпределите равномерно малки количества CaCl2 върху целия печат
4. използвайте плъзгача за дебит в Repetier, за да намерите правилния дебит

За различни приложения и различни гелове може да се наложи да се използват различни техники. Нашата процедура е генерирана в продължение на няколко месеца. Търпението е ключът.

Успех, ако опитате този проект и не се колебайте да задавате въпроси.

Първа награда в конкурса Arduino 2019