Микроцентрифуга Биомедицинское устройство с открытым исходным кодом: 11 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Это текущий проект, который будет обновляться при поддержке сообщества, а также при дальнейших исследованиях и инструкциях

Целью этого проекта является создание модульного лабораторного оборудования с открытым исходным кодом, которое легко транспортировать и собирать из дешевых деталей для помощи в диагностике заболеваний в отдаленных районах с низкой инфраструктурой

Это будет текущий проект с открытым исходным кодом, цель которого - предоставить модульную платформу для медицинских устройств, которую можно легко модифицировать и расширять по невысокой цене

Первоначальные проекты будут включать модульную батарею, двигатель постоянного тока и микроцентрифугу

Он будет обращаться за помощью к онлайн-сообществу с открытым исходным кодом, чтобы помочь с поддержкой, модификацией и дальнейшим дизайном, чтобы удовлетворить индивидуальные потребности медицинских работников в удаленных и сельских районах

ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ: проект все еще проходит тестирование дизайна и функциональности и еще не подходит для ЛЮБОГО диагностического или клинического применения. Электроника и двигатели собираются и используются читателем на свой страх и риск

Шаг 1: проблема и проектные положения

Постановка задачи:

Отсутствие доступа к лабораторному и клиническому оборудованию, помогающему в диагностике и лечении заболеваний, приводит к предотвратимой смерти многих людей в отдаленных районах с низкой инфраструктурой. В частности, отсутствие доступа к основным надежным центрифугам лишает медицинских работников жизненно важного инструмента в борьбе с переносимыми с кровью патогенами, такими как СПИД и малярия.

Заявление о конструкции: разработать микроцентрифугу, модульную батарею и двигатель постоянного тока для помощи в диагностике и лечении заболеваний, вызванных патологиями, передающимися с кровью (патогены и паразиты). Использование аддитивных технологий производства там, где это возможно, эта конструкция направлена на улучшение портативности и снижение экономических барьеров, связанных с технологиями, спасающими жизнь.

Шаг 2: Обоснование дизайна:

Эта конструкция предназначена для производства микроцентрифуги, подходящей для использования в качестве замены в сельской местности, с использованием настольной 3D-печати FDM, лазерной резки и электроники для хобби. При этом есть надежда, что устройство будет доступно широкому кругу специалистов в области здравоохранения с различным доступом к ресурсам.

При разработке ротора центрифуги (часть конструкции, в которую помещены пробирки):

Требуемая перегрузочная сила для разделения образцов зависит от желаемого типа образца, при этом средние силы для разделения крови на составляющие находятся в диапазоне от 1 000 до 2 000 г (thermofisher.com)

Расчет числа оборотов в минуту согласно RFC (G-force) может быть рассчитан с использованием RCF = (об / мин) 2 × 1,118 × 10-5 × r, где r - радиус ротора (bcf.technion.ac.il)

Шаг 3. Рекомендации по дизайну

Соображения по аддитивному производству:

• Может возникнуть плохая адгезия слоя, что приведет к плохой прочности на разрыв и повреждению деталей.

• Требуемые свойства зависят от материалов. Некоторые предлагают хорошую боковую деформацию и прочность на сжатие при низком весе и стоимости.

• Правильные настройки во время нарезки G-кода должны применяться, чтобы гарантировать получение желаемых свойств материала.

• Срок службы деталей, изготовленных с использованием этой технологии, относительно невелик по сравнению с деталями, использующими более дорогие методы и материалы, такие как фрезерование металлов с ЧПУ.

• Термопласты имеют относительно низкую температуру перехода, поэтому необходимо поддерживать низкую рабочую температуру (<примерно 80-90 градусов Цельсия). • Открытые трехмерные печатные конструкции позволят пользователям изменять конструкции в соответствии со своими потребностями и ограничениями.

Дополнительные конструктивные ограничения:

• В некоторых областях может не быть достаточного доступа к электричеству, может потребоваться питание от основных портативных солнечных батарей, батарей и т. Д.

• Вибрация и баланс могут быть проблемой.

• Должен обеспечивать высокую скорость вращения в течение 15 минут или более, что приводит к высоким механическим нагрузкам на некоторые детали.

• Пользователи могут не иметь опыта использования оборудования, и им потребуется поддержка для снижения технических барьеров.

Шаг 4: Проектирование начального / базового модуля

Вышеупомянутая конструкция наилучшим образом использует пространство для обеспечения достаточного пространства для внутренних электронных компонентов и обеспечивает достаточно большой радиус для различных роторов центрифуг и размеров пробирок. Стиль дизайна «соединить вместе» был выбран, чтобы исключить необходимость в поддерживающем материале во время производства и обеспечить легкость печати, ремонта и изготовления как в аддитивном, так и в субтрактивном производстве. Кроме того, печать отдельных деталей меньшего размера уменьшит влияние сбоев / ошибок печати и позволит использовать печатные столы большего разнообразия размеров.

Благодаря модульной конструкции к устройству можно присоединить много различных типов центробежных стаканов. Быстрые модификации и производство этих деталей с помощью аддитивного производства позволяют вносить изменения в производимую перегрузку и размер / тип обрабатываемых образцов. Это дает ему преимущество перед традиционными машинами и обеспечивает новаторский подход к проектированию машин с учетом потребностей конечного пользователя. Кроме того, балластные контейнеры дают возможность добавить опору и гасить вибрацию.

Шаг 5: Список деталей

Детали, напечатанные на 3D-принтере: файлы будут загружены на Github и thingiverse и обновлены как можно скорее.

• 1 х винт шпинделя
• 1 х гайка ротора
• 1 х гайка крышки
• 1 х основная крышка
• 4 x корпус ротора
• 1 х ротор с фиксированным углом
• 4 x верхний / нижний балласт
• 2 х боковой балласт

Электроника: (Скоро ссылки на продукты)

Arduino Nano (8-10 долларов)

Соединительные провода (<0,2 доллара США)

Электронный регулятор скорости (8-10 $)

Бесщеточный двигатель постоянного тока 12 В (15-25 $)

Потенциометр (0,1 доллара США)

Li-po аккумулятор (15-25 $)

Шаг 6: Печать деталей:

Все части доступны на github здесь: Также доступны на сайте thingiverse здесь:

3D-печатные детали: 1 винт шпинделя

1 х гайка ротора

1 х гайка крышки

1 х основная крышка

4 x корпус ротора

1 х ротор с фиксированным углом

4 x верхний / нижний балласт

2 х боковой балласт

Общие настройки черновика от Cura или аналогичные в выбранном программном обеспечении слайсера являются хорошим ориентиром для печати всех частей корпуса и балласта.

Шаг 7: Сборка: первый шаг

• Подготовьте следующие детали к сборке, как показано:

  • Основание центрифуги
  • Компонент корпуса
  • 4 корпуса ротора
• Все части должны плотно прилегать друг к другу и скрепляться соответствующими клеями.

Шаг 8: Сборка: электронные компоненты

Подготовьте к тестированию следующие электронные компоненты:

• Двигатель постоянного тока и ECS
• Аккумулятор
• Ардуино Нано
• Макетная плата
• Потенциометр
• Провода перемычки

Кодирование и инструкцию для arduino можно найти здесь:

Статья

Тестовый двигатель работает плавно и реагирует на сигналы потенциометра. Если это так, установите электронику в корпус и проверьте, что двигатель работает плавно и с небольшой вибрацией.

Фотографии точного размещения будут добавлены в ближайшее время.

Шаг 9: Сборка: прикрепление ротора и вращающегося винта

Соберите ротор, ролики, спиннер и гайки спиннера.

Убедитесь, что все детали хорошо подогнаны. Если посадка слишком тугая, может помочь шлифовка.

Убедитесь, что ротор имеет плавный ход, не скачет и не раскачивается. Плоское блюдо можно распечатать или вырезать из акрила, чтобы оно было устойчивым.

После шлифовки и подгонки деталей прикрепите вращающийся винт к шпинделю двигателя и закрепите ротор гайками, как показано.

Ротор можно снимать для выгрузки и загрузки образцов или для смены типа ротора.

Шаг 10: Сборка: балласт и крышки

Соберите верхний и боковой балластные контейнеры, они будут служить опорой, утяжелителями и гашением вибрации.

Детали должны соединяться вместе и оставаться на месте при заполнении. При необходимости детали можно скрепить суперклеем или подобным клеем.

Основная крышка ротора должна плотно прилегать, когда она закреплена гайкой верхнего ротора.

Детали должны соответствовать, как показано на рисунке.

Шаг 11: Заключение

Медицинские работники, работающие удаленно, сталкиваются с проблемой экономических и логистических барьеров, связанных с приобретением и обслуживанием жизненно важных медицинских и диагностических устройств и запчастей. Отсутствие доступа к базовому оборудованию, такому как центрифуги и насосные системы, может привести к фатальному времени ожидания и ошибочной диагностике.

Эта конструкция позволила достичь желаемого результата, продемонстрировав возможность создания медицинского устройства с открытым исходным кодом (микроцентрифуги) с использованием настольных технологий производства и основных электронных компонентов. Его можно производить за одну десятую стоимости имеющегося в продаже оборудования, и его можно легко ремонтировать или разбирать для использования в других устройствах, что снижает экономические барьеры. Электронные компоненты обеспечивают постоянное надежное питание в течение времени, необходимого для обработки наиболее распространенных образцов крови, обеспечивая лучшую диагностику, чем ручные устройства или розетки в районах с низкой инфраструктурой. Выполнимость этой конструкции имеет потенциал в будущем при разработке модульной платформы медицинских устройств с открытым исходным кодом, использующей основной набор компонентов для управления различным оборудованием, таким как перистальтические насосы или, как в этой конструкции, микроцентрифуги. С созданием библиотеки файлов с открытым исходным кодом доступ к одному принтеру FDM можно было использовать для производства ряда деталей с небольшими знаниями в области дизайна, необходимыми для конечного пользователя. Это устранило бы логистические проблемы, связанные с доставкой основных компонентов, сэкономив время и жизнь.