Edullinen bioprinter: 13 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Olemme UC Davisin ylioppilasjohtoinen tutkimusryhmä. Olemme osa BioInnovation Groupia, joka toimii TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Labissa (neuvonantajat Dr. Marc Facciotti ja Andrew Yao, M. S.). Laboratorio kokoaa yhteen eri taustoista tulevia opiskelijoita työskentelemään tämän projektin parissa (mech/Chemical/Biomed Engineering).

Hieman taustaa tälle projektille on se, että aloitimme siirtogeenisten riisisolujen tulostamisen yhteistyössä tohtori Karen McDonaldin kanssa ChemE-osastolta tavoitteena kehittää edullinen biotulostin, jotta biopainatus olisi helpompaa tutkimuslaitoksille. Tällä hetkellä edulliset biotulostimet maksavat noin 10 000 dollaria, kun taas huippuluokan biotulostimet maksavat noin 170 000 dollaria. Sitä vastoin tulostimemme voidaan rakentaa noin 375 dollarilla.

Tarvikkeet

Osat:

1. Rampit 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Askelmoottorin ohjaimet:
4. Lisäaskelmoottori (valinnainen)
5. Maker palkki 2 x X 1 tuumaa
6. Valmistajan palkin kiinnityslaitteisto
7. M3 ruuvit erikokoisia
8. M3 mutterit x2
9. 8 mm kierretanko
10. 8 mm mutteri
11. 608 laakeri
12. Sidosklipsi
13. Hehkulanka
14. Monoprice V2
15. Vetoketjut
16. M3 -lämpömutterit, leveys 2 mm

Työkalut:

1. Porakruunut eri kokoisia
2. Käsipora
3. Pylväsporakone
4. Rautasaha
5. Juotosrauta + juote
6. Langanpoistaja
7. Neulan pihdit
8. Kuusiokoloavaimet erikokoisia

Laboratoriotarvikkeet:

1. Petri -astiat, halkaisija ~ 70 mm
2. 60 ml: n ruisku, jossa Luer-lock-kärki
3. 10 ml ruisku, jossa Luer-lock-kärki
4. Luer-lukitusvarusteet
5. Liitosputket
6. T Letkun liitin
7. Sentrifugi
8. Sentrifugiputket 60 ml
9. Asteikko
10. Punnitse veneet
11. Autoklaavi
12. Dekantterilasit
13. Mittalasi
14. 0,1 M CaCl2 -liuos
15. Agarose
16. Alginaatti
17. Metyyliselluloosa
18. Sakkaroosi

Ohjelmisto:

1. Fusion 360 tai Solidworks
2. Arduino IDE
3. Toistava isäntä
4. Ultimaker Cura 4

Vaihe 1: 3D -tulostimen valinta

Valitsimme Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2: n käynnistyväksi 3D -tulostimeksi. Tämä tulostin valittiin sen alhaisen hinnan ja korkean saatavuuden vuoksi. Lisäksi tulostimesta oli jo saatavilla erittäin tarkka 3D -malli, joka helpotti suunnittelua. Tämä ohje on räätälöity tälle tulostimelle, mutta samanlaista prosessia voidaan käyttää muuntamaan muita yleisiä FDM -tulostimia ja CNC -koneita.

Erittäin tarkka malli:

Vaihe 2: 3D -tulostus

Ennen Monoprice -tulostimen purkamista on tulostettava useita osia 3D -tulostinta varten. On olemassa versioita tahnaekstruudereista, joista toinen vaatii epoksia ja toinen ei. Se, joka vaatii epoksia, on pienempi, mutta vaikeampi koota.

Vaihe 3: Valmistele tulostin muutosta varten

Etutornipaneeli, pohjakansi ja ohjauspaneeli on poistettava. Kun pohja on poistettu, irrota kaikki elektroniikka ohjainkortista ja irrota ohjauskortti.

Vaihe 4: Vaihdettava kiinnike

Runko 1 ja runko 14 vaativat kumpikin kaksi lämmitysmutteria. Runko 1 on kiinnitetty tulostimen runkoon kahdella vyön alle piilotetulla M3 -pultilla. Pultit voidaan paljastaa irrottamalla hihnan kiristin ja vetämällä hihna toiselle puolelle.

Vaihe 5: Z -akselikytkin

Z-akselin kytkin on sijoitettu uudelleen siten, että minkä tahansa pituista neulaa voidaan käyttää aloitusjakson aikana ilman korjausta ohjelmistossa. Kytkin tulee asentaa 2 M3 -ruuvilla tulostimen koteloon suoraan tulostuspään alle mahdollisimman lähelle tulostusalustaa.

Vaihe 6: Johdotus

Johdotus tehdään Ramps 1.4 -standardien mukaisesti. Noudata vain kytkentäkaaviota. Katkaise ja tinajohdot tarpeen mukaan riviliittimille. Joitakin johtoja on ehkä pidennettävä.

Vaihe 7: Epoksiekstruuderi

Vaikka tämän suulakepuristimen tulostaminen vie vähemmän aikaa, se käyttää epoksia, mikä lisää kokonaisrakennusaikaa yli 24 tuntiin. 8 mm: n kierretanko tulee epoksoida 608 -laakeriin ja laakeri epoksoida 3D -tulostettuun kappaleeseen Runko 21. Lisäksi kierretangon mutteri on epoksoitava runkoon 40. Kun epoksi on täysin kovettunut, kumi 60 ml: n ja 10 ml: n ruiskun männän kärjet voidaan asentaa runkoon 9 ja vartalon 21 päälle. Sopivaa T -liitintä ei löytynyt, joten raaka valmistettiin 6 mm: n messinkiputkesta ja juotoksesta. Suulakepuristin toimii hydraulijärjestelmänä, joka työntää Bioinkin ulos 10 ml: n ruiskun alemmasta kammiosta. Ilma voidaan poistaa järjestelmästä ravistamalla voimakkaasti putkia pitäen T -liitintä korkeimmassa kohdassa.

Vaihe 8: Säännöllinen tahnaekstruuderi

Tämä suulakepuristin voidaan yksinkertaisesti ruuvata yhteen. Tämän suulakepuristimen haittapuoli on se, että se on suurempi ja sillä on suuri välys.

Vaihe 9: Vaihe 9: Arduino -laiteohjelmisto

Arduino tarvitsee laiteohjelmiston askelohjainten ja muun elektroniikan käyttämiseen. Valitsimme Marlinin, koska se on ilmainen, helposti muokattavissa Arduino IDE: llä ja hyvin tuettu. Olemme muuttaneet laitteistomme laiteohjelmistoa, mutta muuntaminen muihin tulostimiin on melko yksinkertaista, koska kaikki koodit on kommentoitu ja selitetty selkeästi. Avaa marlin -kokoonpanotiedostot kaksoisnapsauttamalla MonopriceV2BioprinterFirmware.ino -tiedostoa.

Vaihe 10: Cura -profiili

Cura -profiili voidaan tuoda Ultimaker Cura 4.0.0 -versioon ja siitä voidaan valmistaa suuria pinta -alaisia verkkoja käytettäväksi profuusioreaktorissa. Gcoden luominen tulostimelle on edelleen erittäin kokeellista ja vaatii paljon kärsivällisyyttä. Liitteenä on myös pyöreän profuusioreaktorin testauskoodi.

Vaihe 11: Aloitus-G-koodin muuttaminen

Liitä tämä koodi G-koodin alkuasetukseen:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Repetierissä voit muuttaa Gcode-aloituskohtaa valitsemalla Sliceer-> Configuration-> G-code-> start G-codes. Lisää arvoa hitaasti, kunnes neula on halutulla etäisyydellä Petri -maljan pinnasta tulostuksen alussa.

Vaihe 12: Bioinkin luominen

Sovellukseen sopivan Bioinkin kehittämisprosessi on monimutkainen. Tätä prosessia noudatimme:

Yhteenveto

Hydrogeeli sopii leikkausherkille kasvisoluille, ja siinä on avoimia makrohuokosia diffuusion mahdollistamiseksi. Hydrogeeli valmistetaan liuottamalla agaroosi, alginaatti, metyyliselluloosa ja sakkaroosi deionisoituun veteen ja lisäämällä soluja. Geeli on viskoosia, kunnes se kovetetaan 0,1 M kalsiumkloridilla, mikä tekee siitä tukevan. Kalsiumkloridikovettuva liuos ristisilloittuu alginaatin kanssa, jotta siitä tulee tukeva. Alginaatti on geelin perusta, metyyliselluloosa homogenoi geelin ja agaroosi tarjoaa enemmän rakennetta, koska se geeliytyy huoneenlämmössä. Sakkaroosi tarjoaa ruokaa soluille, jotka voivat jatkaa kasvuaan hydrogeelissä.

Lyhyt katsaus joihinkin kokeisiin geelin varmistamiseksi

Testasimme erilaisia hydrogeelejä vaihtelevilla määrillä agaroosia ja rekisteröimme sen sakeuden, kuinka helposti se painettiin ja onko se uponnut tai kellunut kovetusliuoksessa. Alginaattiprosentin pienentäminen teki geelistä liian nestemäisen eikä se kyennyt pitämään muotoaan tulostuksen jälkeen. Alginaattiprosentin lisääminen sai kovetusliuoksen toimimaan niin nopeasti, että geeli kovettui ennen kuin se tarttui yläkerrokseen. Hydrogeeli, joka pitää muotonsa ja ei kovetu liian nopeasti, kehitettiin käyttämällä 2,8 paino-% alginaattia.

Kuinka kehittää hydrogeeli

Materiaalit

Agaroosi (0,9 paino- %)

Alginaatti (2,8 paino- %)

Metyyliselluloosa (3,0 paino-%)

Sakkaroosi (3,0 paino-%)

Kalsiumkloridi. 1 M (147,001 g/mol)

ddH20

solujen aggregaatit

2 pestyä ja kuivattua dekantterilasia

1 Spatula

Alumiinifolio

Muovinen punnituspaperi

Mittalasi

Menettely

Hydrogeelin valmistus:

1. Mittaa tietty määrä ddH20 sen mukaan, kuinka paljon geeliliuosta haluat valmistaa. Käytä mittasylinteriä tietyn tilavuuden ddH20 saamiseksi.
2. Hydrogeeliliuos sisältää alginaattia (2,8 paino- %)), agaroosia (0,9 paino- %), sakkaroosia (3 paino- %) ja metyyliselluloosaa (3 paino- %). Hydrogeeliliuoksen komponenttien oikeat osat mitataan käyttämällä muovista punnituspaperia.
3. Kun olet punninnut kaikki komponentit, lisää ddh20, sakkaroosi, agaroosi ja lopuksi natriumalginaatti yhteen kuivista dekantterilasista. Sekoita sekoittaen, mutta älä käytä lastalla sekoittamiseen, koska jauhe tarttuu lastalla.
4. Kun sekoitus on sekoitettu, kääri dekantterilasin yläosa alumiinifoliolla ja merkitse dekantterilasi. Lisää pala autoklaaviteippiä kalvon päälle.
5. Laita jäljellä oleva metyyliselluloosa toiseen kuivaan dekantterilasiin ja kääri se alumiinifolioon kuten edellinen dekantterilasi. Merkitse tämä dekantterilasi ja lisää pala autoklaaviteippiä kalvon päälle.
6. Kääri 1 lastat alumiinifolioon ja varmista, ettei mikään niistä ole paljaana. Lisää autoklaaviteippi käärittyyn lastaseen.
7. Autoklavoi 2 dekantterilasia ja 1 lastalla 121 ° C: ssa 20 minuuttia sterilointijakson aikana. ÄLÄ KÄYTÄ AUTOKLAAVIA STERIILISESSÄ JA KUIVASSA SYKLISSÄ.
8. Kun autoklaavisykli on päättynyt, anna geelin jäähtyä huoneenlämpötilaan ja kun se on saavuttanut sen, aloita toiminta biologisessa turvallisuuskaapissa.
9. Muista pestä kädet ja käsivarret ja käyttää asianmukaista aseptista tekniikkaa, kun työskentelet bioturvallisuuskaapissa. VAROITA myös, ettet joudu suoraan kosketuksiin esineiden kanssa, jotka koskettavat geeliä tai ovat lähellä geeliä (esim. Lastan sekoituspää tai geelin päällä oleva alumiinifolion alue)
10. Sekoita bioturvallisuuskaapissa metyyliselluloosa geeliin homogeenisen levityksen saamiseksi. Kun sekoitus on valmis, kääri sekoitettu geeliliuos ylhäältä ja laita jääkaappiin yön yli.
11. Sieltä geeliä voidaan käyttää solujen käyttöönottoon tai muihin tarkoituksiin, kuten tulostamiseen.

Solujen lisääminen:

1. Suodata solut niin, että ne ovat samankokoisia. Suodatusmenetelmämme on

   Kaavi solut kevyesti pois Petri -maljasta ja suodata solut 380 mikrometrin seulalla.

2. Sekoita suodatetut solut varovasti hydrogeeliliuokseen käyttämällä litteää päätä lastalla välttääksesi seoksen häviämisen (jotka on autoklavoitu).
3. Solujen sekoittamisen jälkeen sentrifugoi kuplat
4. Tästä lähtien hydrogeeli on valmis ja sitä voidaan käyttää tulostamiseen, kovettamiseen ja tuleviin kokeisiin.

Kovettamisliuoksen kehittäminen (0,1 M kalsiumkloridia, CaCl2)

Materiaalit

Kalsiumkloridi

ddH20

Sakkaroosi (3 paino- %)

Menettely (1 litran kovetusliuoksen valmistamiseksi)

1. Mittaa 147,01 g kalsiumkloridia, 30 ml sakkaroosia ja 1 l ddH20.
2. Sekoita kalsiumkloridi, sakkaroosi ja ddH20 suuressa dekantterilasissa tai astiassa.
3. Upota geeli kovetusliuokseen vähintään 10 minuutiksi kovettumaan.

Vaihe 13: Tulosta

Biopainatus on teoriassa erittäin yksinkertaista; käytännössä on kuitenkin monia tekijöitä, jotka voivat aiheuttaa epäonnistumisia. Tämän geelin avulla olemme havainneet, että sovelluksemme menestyksen maksimoimiseksi voidaan tehdä useita asioita:

1. Käytä pieniä määriä CaCl2 -liuosta geelin osittaiseen kovettamiseen tulostuksen aikana,
2. Käytä paperipyyhettä Petri -astian pohjassa tartunnan lisäämiseksi
3. Levitä paperipyyhkeellä tasaisesti pieniä määriä CaCl2: ta koko tulostetulle paperille
4. Käytä Repetierin virtausnopeuden liukusäädintä löytääksesi oikea virtaus

Eri sovelluksiin ja eri geeleihin voidaan tarvita erilaisia tekniikoita. Menettelymme syntyi useita kuukausia. Kärsivällisyys on avain.

Onnea, jos yrität tätä projektia ja kysy rohkeasti kysymyksiä.

Ensimmäinen palkinto Arduino -kilpailussa 2019