Pigūs bioprinteriai: 13 žingsnių (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:46

Esame „UC Davis“studentų vadovaujama mokslinių tyrimų grupė. Esame „BioInnovation Group“, veikiančios TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab, dalis (patarėjai dr. Marc Facciotti ir Andrew Yao, M. S.). Laboratorija suburia įvairaus išsilavinimo studentus, kad galėtų dirbti su šiuo projektu (mech/chemijos/biomedicinos inžinerija).

Šiek tiek šio projekto pagrindo yra tai, kad kartu su daktarė Karen McDonald iš ChemE departamento pradėjome spausdinti transgenines ryžių ląsteles, siekdami sukurti nebrangų bioprinterį, kad bioprintavimas būtų labiau prieinamas mokslo institucijoms. Šiuo metu žemos klasės bioprinteriai kainuoja maždaug 10 000 USD, o aukščiausios klasės bioprinteriai kainuoja maždaug 170 000 USD. Priešingai, mūsų spausdintuvą galima pagaminti už maždaug 375 USD.

Prekės

Dalys:

1. Rampos 1.4:
2. „Arduino mega 2560“:
3. Žingsninių variklių tvarkyklės:
4. Papildomas žingsninis variklis (neprivaloma)
5. Gamintojo spindulys 2 x X 1 col
6. Gamintojo sijos tvirtinimo įranga
7. Įvairių dydžių M3 varžtai
8. M3 veržlės x2
9. 8 mm srieginis strypas
10. 8 mm veržlė
11. 608 guolis
12. Rišiklio spaustukas
13. Siūlai
14. „Monoprice V2“https://www.monoprice.com/product?p_id=15365&gcli…
15. Užsegami užtrauktukais
16. 2 mm pločio M3 kaitinimo veržlės

Įrankiai:

1. Įvairių dydžių grąžtai
2. Rankinis grąžtas
3. Gręžimo presas
4. Pjūklas
5. Lituoklis + lydmetalis
6. Vielos nuėmiklis
7. Adatos nosies replės
8. Įvairių dydžių šešiakampiai raktai

Laboratorijos reikmenys:

1. Petri lėkštelės ~ 70 mm skersmens
2. 60 ml švirkštas su „Luer-lock“antgaliu
3. 10 ml švirkštas su „Luer-lock“antgaliu
4. „Luer-lock“jungiamosios detalės
5. Vamzdžiai jungiamosioms detalėms
6. T Vamzdžių jungtis
7. Centrifuga
8. Centrifugos mėgintuvėliai 60 ml
9. Skalė
10. Sverkite valtis
11. Autoklavas
12. Stikliniai
13. Graduotas cilindras
14. 0,1 M CaCl2 tirpalas
15. Agarozė
16. Alginatas
17. Metilceliuliozė
18. Sacharozė

Programinė įranga:

1. „Fusion 360“arba „Solidworks“
2. „Arduino IDE“
3. Repetier šeimininkas
4. „Ultimaker Cura 4“

1 veiksmas: 3D spausdintuvo pasirinkimas

Kaip pradinį 3D spausdintuvą pasirinkome „Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2“. Šis spausdintuvas buvo pasirinktas dėl mažos kainos ir didelio prieinamumo. Be to, jau buvo prieinamas labai tikslus 3D spausdintuvo modelis, kuris palengvino projektavimą. Ši instrukcija bus pritaikyta šiam konkrečiam spausdintuvui, tačiau panašus procesas gali būti naudojamas konvertuojant kitus įprastus FDM spausdintuvus ir CNC mašinas.

Didelio tikslumo modelis:

2 žingsnis: 3D spausdinimas

Prieš išmontuojant „Monoprice“spausdintuvą, norint pakeisti 3D spausdintuvą, reikia atspausdinti kelias dalis. Yra pastos ekstruderių versijos - viena, kuriai reikia epoksidinės, o kita - nereikalinga. Tas, kuriam reikalinga epoksidinė medžiaga, yra kompaktiškesnis, tačiau jį sunkiau surinkti.

3 žingsnis: Paruoškite spausdintuvą modifikavimui

Priekinis bokšto skydas, apatinis dangtelis ir valdymo skydas turi būti nuimti. Nuėmus dugną, atjunkite visą elektroniką nuo valdymo plokštės ir nuimkite valdymo plokštę.

4 žingsnis: keičiamas laikiklis

1 korpusui ir 14 korpusui reikia dviejų termiškai sureguliuotų veržlių. 1 korpusas yra pritvirtintas prie spausdintuvo rėmo dviem M3 varžtais, paslėptais po diržu. Varžtai gali būti atskleisti nuėmus diržo įtempiklį ir patraukus diržą į vieną pusę.

5 žingsnis: Z ašies jungiklis

Z ašies jungiklis yra pakeistas taip, kad bet kokio ilgio adata būtų galima naudoti nustatymo seka, nekompensuojant programinėje įrangoje. Jungiklis turi būti pritvirtintas 2 M3 varžtais prie spausdintuvo korpuso tiesiai po spausdinimo galvute, kuo arčiau spausdinimo lovos.

6 žingsnis: laidų prijungimas

Elektros instaliacija atliekama pagal „Ramps 1.4“standartus. Tiesiog sekite prijungimo schemą. Nupjaukite ir skardinius laidus, jei reikia gnybtų blokams. Kai kuriuos laidus gali tekti prailginti.

7 žingsnis: epoksidinis ekstruderis

Nors šiam ekstruderiui spausdinti reikia mažiau laiko, jis naudoja epoksidą, o tai padidina bendrą kūrimo laiką iki daugiau nei 24 valandų. 8 mm srieginis strypas turi būti epoksiduojamas prie 608 guolio, o guolis turi būti epoksiduojamas prie 3D atspausdinto korpuso korpuso 21. Be to, srieginio sriegio veržlė turi būti epoksiduojama prie korpuso 40. Kai epoksidinė medžiaga visiškai sukietėja, guma 60 ir 10 ml švirkštų stūmoklių antgaliai gali būti pritvirtinti atitinkamai ant kūno 9 ir korpuso 21. Nepavyko rasti tinkamos T jungties, todėl žaliavinė buvo pagaminta iš 6 mm žalvario vamzdžių ir lydmetalio. Ekstruderis veikia kaip hidraulinė sistema, kuri išstumia „Bioink“iš apatinės 10 ml švirkšto kameros. Oras gali būti pašalintas iš sistemos, stipriai purtant vamzdelius, laikant T jungtį aukščiausioje vietoje.

8 žingsnis: įprastas pastos ekstruderis

Šį ekstruderį galima tiesiog prisukti varžtais. Šio ekstruderio trūkumas yra tas, kad jis yra didesnis ir turi didelį atotrūkį.

9 veiksmas: 9 veiksmas: „Arduino“programinė įranga

„Arduino“reikalinga programinė įranga, skirta paleisti stepper tvarkykles ir kitą elektroniką. Mes pasirinkome „Marlin“, nes jis yra nemokamas, lengvai modifikuojamas naudojant „Arduino IDE“ir gerai palaikomas. Mes pakeitėme konkrečios aparatinės įrangos programinę įrangą, tačiau ją pakeisti yra gana paprasta kitiems spausdintuvams, nes visas kodas yra komentuojamas ir aiškiai paaiškinamas. Dukart spustelėkite failą MonopriceV2BioprinterFirmware.ino, kad atidarytumėte „marlin“konfigūracijos failus.

10 žingsnis: „Cura“profilis

„Cura“profilį galima importuoti į „Ultimaker Cura 4.0.0“ir iš jo pagaminti didelio paviršiaus ploto tinklus, skirtus naudoti gausiame reaktoriuje. Spausdintuvo „Gcode“generavimas vis dar yra labai eksperimentinis ir reikalauja daug kantrybės. Taip pat pridedamas apskrito gausaus reaktoriaus bandomasis kodas.

11 veiksmas: pradinio G kodo keitimas

Įklijuokite šį kodą į pradinį G kodo nustatymą:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

„Repetier“, norėdami pakeisti pradinį Gcode, eikite į pjaustyklę-> Konfigūracija-> G-kodai-> pradėti G-kodus. Būtina keisti G92 Z vertę kiekvienu konkrečiu atveju. Lėtai didinkite vertę, kol spausdinimo pradžioje adata bus norimu atstumu nuo Petri lėkštelės paviršiaus.

12 žingsnis: „Bioink“sukūrimas

Programai tinkamos „Bioink“kūrimo procesas yra sudėtingas. Tai procesas, kurio mes laikėmės:

Santrauka

Hidrogelis tinka jautrioms pjovimui augalų ląstelėms ir turi atviras makroporas, leidžiančias difuzijai. Hidrogelis gaminamas ištirpinus agarozę, alginatą, metilceliuliozę ir sacharozę dejonizuotame vandenyje ir pridedant ląstelių. Gelis yra klampus, kol jis sukietėja 0,1 M kalcio chloridu, todėl jis yra tvirtas. Kalcio chlorido kietėjimo tirpalas susiejamas su alginatu, kad būtų tvirtas. Alginatas yra gelio pagrindas, metilceliuliozė homogenizuoja gelį, o agarozė suteikia daugiau struktūros, nes geli kambario temperatūroje. Sacharozė suteikia maistą ląstelėms toliau augti hidrogelyje.

Trumpa gelio patikrinimo eksperimentų apžvalga

Mes išbandėme skirtingus hidrogelius su įvairiais agarozės kiekiais ir užfiksavome jo konsistenciją, kaip lengvai atspausdino ir ar nuskendo, ar plūduriavo kietėjimo tirpale. Sumažinus alginato procentą, gelis tapo per skystas ir po spausdinimo jis negalėjo išlaikyti savo formos. Padidinus alginato procentą, kietėjimo tirpalas veikia taip greitai, kad gelis sukietėja prieš prilipdamas prie viršutinio sluoksnio. Hidrogelis, kuris išlaiko savo formą ir nesukietėja per greitai, buvo sukurtas naudojant 2,8 masės% alginato.

Kaip sukurti hidrogelį

Medžiagos

Agarozė (0,9 masės %)

Alginatas (2,8 masės %)

Metilceliuliozė (3,0 masės%)

Sacharozė (3,0 masės%)

Kalcio chloridas. 1 M (147,001 g/mol)

ddH20

ląstelių agregatai

2 Išplautos ir džiovintos stiklinės

1 Maišymo mentele

Aliuminio folija

Plastiko svėrimo popierius

Baigtasis cilindras

Procedūra

Hidrogelio gamyba:

1. Išmatuokite konkretų ddH20 kiekį pagal tai, kiek gelio tirpalo norite paruošti. Naudokite matavimo cilindrą, kad gautumėte tam tikrą ddH20 tūrį.
2. Hidrogelio tirpale bus alginato (2,8 masės %)), agarozės (0,9 masės %), sacharozės (3 masės %) ir metilceliuliozės (3 masės %). Tinkamos hidrogelio tirpalo komponentų dalys bus matuojamos naudojant plastikinį svėrimo popierių.
3. Baigę sverti visus komponentus, į vieną iš sausų stiklinių įpilkite ddh20, sacharozės, agarozės ir galiausiai natrio alginato. Sukite, kad susimaišytų, bet nenaudokite mentelės, nes milteliai prilips prie mentele.
4. Sumaišius, stiklinės viršutinę dalį tinkamai apvyniokite aliuminio folija ir pažymėkite stiklinę. Ant folijos viršaus pridėkite autoklavo juostos gabalėlį.
5. Likusią metilceliuliozę įdėkite į kitą sausą stiklinę ir apvyniokite ją aliuminio folija, kaip ir ankstesnę stiklinę. Pažymėkite šią stiklinę ir pridėkite autoklavo juostos gabalėlį prie folijos viršaus.
6. Apvyniokite 1 mentele aliuminio foliją ir įsitikinkite, kad jos nėra. Į apvyniotą mentelę pridėkite autoklavo juostą.
7. Sterilizavimo ciklo metu 2 stiklines ir 1 mentelę autoklavuokite 121 ° C temperatūroje 20 minučių. NENAUDOKITE AUTOKLAVO Steriliame ir sausame cikle.
8. Kai autoklavo ciklas bus baigtas, leiskite geliui atvėsti iki kambario temperatūros ir, kai jis pasieks, pradėkite veikti biologinės saugos kabinete.
9. Biosaugos spintoje būtinai nusiplaukite rankas ir rankas bei naudokite tinkamą aseptikos techniką. Taip pat BŪTINA, kad jis tiesiogiai nesiliestų su daiktais, kurie liečiasi su geliu arba yra šalia gelio (pvz., Mentelės maišymo galas arba aliuminio folijos sritis, esanti virš gelio).
10. Biologinės saugos spintoje sumaišykite metilceliuliozę su geliu, kad pasiskirstytų vienalytė. Baigę maišyti, vėl suvyniokite sumaišytą gelio tirpalą ir padėkite į šaldytuvą nakčiai.
11. Iš čia gelis gali būti naudojamas ląstelių įvedimui arba kitoms reikmėms, pavyzdžiui, spausdinimui.

Ląstelių pridėjimas:

1. Filtruokite ląsteles, kad jos būtų vienodo dydžio. Mūsų filtravimo procedūra yra

   Lengvai nubraukite ląsteles nuo Petri lėkštelės ir 380 mikrometrų sieteliu filtruokite ląsteles.

2. Švelniai sumaišykite filtruotas ląsteles hidrogelio tirpale, naudodami plokščią galvutę, kad išvengtumėte mišinio praradimo (autoklave).
3. Sumaišius ląsteles, centrifuguojama iš burbuliukų
4. Iš čia hidrogelis yra baigtas ir gali būti naudojamas spausdinimui, kietėjimui ir būsimiems eksperimentams.

Kaip sukurti kietėjimo tirpalą (0,1 M kalcio chlorido, CaCl2)

Medžiagos

Kalcio chloridas

ddH20

Sacharozė (3 masės %)

Procedūra (norint pagaminti 1 l kietėjimo tirpalo)

1. Išmatuokite 147,01 g kalcio chlorido, 30 ml sacharozės ir 1 l ddH20.
2. Sumaišykite kalcio chloridą, sacharozę ir ddH20 didelėje stiklinėje ar inde.
3. Panardinkite gelį į kietėjimo tirpalą mažiausiai 10 minučių, kad sukietėtų.

13 žingsnis: spausdinkite

Teoriškai biologinis spausdinimas yra labai paprastas; tačiau praktikoje yra daug veiksnių, galinčių sukelti nesėkmes. Naudodami šį gelį, mes nustatėme, kad galima padaryti kelis dalykus, kad mūsų taikymas būtų kuo sėkmingesnis:

1. Spausdindami naudokite nedidelį kiekį CaCl2 tirpalo, kad iš dalies sukietėtų gelis,
2. Petri lėkštelės apačioje naudokite popierinį rankšluostį, kad padidėtų sukibimas
3. Popieriniu rankšluosčiu tolygiai paskirstykite nedidelį CaCl2 kiekį visame spaudinyje
4. naudokite srauto slankiklį „Repetier“, kad surastumėte tinkamą srautą

Skirtingoms reikmėms ir skirtingiems geliams gali tekti naudoti skirtingus metodus. Mūsų procedūra buvo sukurta per kelis mėnesius. Svarbiausia yra kantrybė.

Sėkmės, jei išbandysite šį projektą ir drąsiai užduosite klausimus.

Pirmasis prizas „Arduino“konkurse 2019 m