Недорогой биопринтер: 13 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Мы - исследовательская группа под руководством студентов Калифорнийского университета в Дэвисе. Мы являемся частью BioInnovation Group, которая работает в лаборатории молекулярного прототипирования и биотехнологий TEAM (советники доктор Марк Фаччиотти и Эндрю Яо, магистр медицины). Лаборатория объединяет студентов с разным уровнем подготовки для работы над этим проектом (механическая / химическая / биомедицинская инженерия).

Немного предыстории этого проекта заключается в том, что мы начали печатать трансгенные клетки риса в сотрудничестве с доктором Карен Макдональд из отдела ChemE с целью разработки недорогого биопринтера, чтобы сделать биопечать более доступной для исследовательских институтов. В настоящее время недорогие биопринтеры стоят примерно 10 000 долларов, в то время как высококачественные биопринтеры стоят примерно 170 000 долларов. Напротив, наш принтер может быть построен примерно за 375 долларов.

Запасы

Части:

1. Пандусы 1.4:
2. Arduino Mega 2560:
3. Драйверы шагового двигателя:
4. Дополнительный шаговый двигатель (опция)
5. Изготовитель балки 2 дюйма X 1 дюйм
6. Оборудование для крепления балок Maker
7. Винты M3 разных размеров
8. Гайки M3 x2
9. Стержень с резьбой 8 мм
10. Гайка 8 мм
11. 608 подшипник
12. Скоросшиватель
13. Нить
14. Monoprice V2
15. Застежки-молнии
16. Гайки термоустановки M3 шириной 2 мм

Инструменты:

1. Сверла разных размеров
2. Ручная дрель
3. Сверлильный станок
4. Ножовка
5. Паяльник + припой
6. Инструмент для зачистки проводов
7. Плоскогубцы
8. Ключи шестигранные различных размеров

Лабораторные принадлежности:

1. Чашки Петри диаметром ~ 70 мм
2. Шприц 60 мл с наконечником Luer-lock
3. Шприц 10 мл с наконечником Luer-lock
4. Люэровская фурнитура
5. Трубки для фитингов
6. Т-образный соединитель для трубки
7. Центрифуга
8. Центрифужные пробирки 60 мл
9. Шкала
10. Весовые лодки
11. Автоклав
12. Мензурки
13. Мерный цилиндр
14. 0,1 М раствор CaCl2
15. Агароза
16. Альгинат
17. Метилцеллюлоза
18. Сахароза

Программное обеспечение:

1. Fusion 360 или Solidworks
2. IDE Arduino
3. Repetier Host
4. Ultimaker Cura 4

Шаг 1. Выбор 3D-принтера

Мы выбрали Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 в качестве стартового 3D-принтера. Этот принтер был выбран из-за его низкой стоимости и высокой доступности. Кроме того, уже была доступна высокоточная 3D-модель принтера, которая упростила проектирование. Это руководство будет адаптировано для этого конкретного принтера, но аналогичный процесс можно использовать для преобразования других распространенных принтеров FDM и станков с ЧПУ.

Модель высокой точности:

Шаг 2: 3D-печать

Перед разборкой принтера Monoprice необходимо напечатать несколько деталей для модификации 3D-принтера. Существуют версии экструдеров для пасты: одна требует эпоксидной смолы, а другая нет. Тот, который требует эпоксидной смолы, более компактен, но его сложнее собрать.

Шаг 3. Подготовьте принтер к модификации

Передняя панель башни, нижняя крышка и панель управления должны быть сняты. После снятия нижней части отсоедините всю электронику от платы управления и снимите плату управления.

Шаг 4: сменное крепление

Для корпуса 1 и корпуса 14 требуется по две гайки термоустановки. Корпус 1 крепится к раме принтера двумя болтами M3, скрытыми под ремнем. Болты можно обнаружить, сняв натяжитель ремня и потянув ремень в сторону.

Шаг 5: переключатель оси Z

Переключатель оси Z перемещается таким образом, чтобы можно было использовать иглу любой длины во время процесса возврата в исходное положение без компенсации в программном обеспечении. Переключатель должен быть закреплен 2 винтами M3 на корпусе принтера непосредственно под печатающей головкой как можно ближе к печатной платформе.

Шаг 6: Подключение

Электромонтаж выполнен в соответствии со стандартами Ramps 1.4. Просто следуйте схеме подключения. Отрежьте и залудите провода по мере необходимости для клеммных колодок. Некоторые провода, возможно, потребуется удлинить.

Шаг 7: экструдер эпоксидной смолы

Хотя этот экструдер требует меньше времени для печати, он использует эпоксидную смолу, которая увеличивает общее время сборки до более чем 24 часов. Стержень с резьбой 8 мм должен быть приклеен эпоксидной смолой к подшипнику 608, а подшипник должен быть приклеен эпоксидной смолой к корпусу, напечатанному на 3D-принтере. Кроме того, гайка резьбового стержня должна быть приклеена эпоксидной смолой к корпусу 40. После полного отверждения эпоксидной смолы резина должна быть покрыта эпоксидной смолой. наконечники от поршней шприца на 60 мл и 10 мл можно установить на корпус 9 и корпус 21 соответственно. Подходящего Т-образного фитинга найти не удалось, поэтому грубый фитинг был изготовлен из 6-миллиметровой латунной трубки и припоя. Экструдер действует как гидравлическая система, которая выталкивает Bioink из нижней камеры шприца на 10 мл. Воздух можно удалить из системы, энергично встряхнув трубки, удерживая Т-образный фитинг в самой высокой точке.

Шаг 8: Обычный экструдер для пасты

Этот экструдер можно просто скрепить болтами. Недостатком этого экструдера является то, что он более громоздкий и имеет высокий люфт.

Шаг 9: Шаг 9: Прошивка Arduino

Для работы драйверов шагового двигателя и другой электроники Arduino требуется прошивка. Мы выбрали Marlin, поскольку он бесплатный, легко модифицируется с помощью Arduino IDE и хорошо поддерживается. Мы изменили прошивку для нашего конкретного оборудования, но ее довольно просто изменить для других принтеров, потому что весь код прокомментирован и четко объяснен. Дважды щелкните файл MonopriceV2BioprinterFirmware.ino, чтобы открыть файлы конфигурации marlin.

Шаг 10: Профиль Cura

Профиль Cura можно импортировать в Ultimaker Cura 4.0.0 и использовать для создания сеток с большой площадью поверхности для использования в большом реакторе. Генерация Gcode для принтера все еще является экспериментальной и требует большого терпения. Также прилагается тестовый gcode для круглого реактора изобилия.

Шаг 11: изменение стартового G-кода

Вставьте этот код в начальную настройку G-кода:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

В Repetier, чтобы изменить стартовый Gcode, перейдите в слайсер-> Конфигурация-> G-коды-> стартовые G-коды. Необходимо изменить значение G92 Z для каждого конкретного случая. Медленно увеличивайте значение, пока игла не окажется на нужном расстоянии от поверхности чашки Петри в начале печати.

Шаг 12: создание Bioink

Процесс разработки Bioink, подходящего для приложения, сложен. Это процесс, которому мы следовали:

Резюме

Гидрогель подходит для чувствительных к сдвигу растительных клеток и имеет открытые макропоры, обеспечивающие диффузию. Гидрогель получают путем растворения агарозы, альгината, метилцеллюлозы и сахарозы в деионизированной воде и добавления клеток. Гель остается вязким, пока он не затвердеет с помощью 0,1 М хлорида кальция, что делает его прочным. Отверждающий раствор хлорида кальция сшивается с альгинатом, делая его прочным. Альгинат является основой геля, метилцеллюлоза гомогенизирует гель, а агароза обеспечивает большую структуру, поскольку гелеобразование происходит при комнатной температуре. Сахароза обеспечивает клеткам пищу для продолжения роста в гидрогеле.

Краткий обзор некоторых экспериментов по проверке геля.

Мы протестировали различные гидрогели с разным количеством агарозы и записали его консистенцию, насколько легко он печатался, и тонул он или плавал в отверждающем растворе. Уменьшение процентного содержания альгината делало гель слишком жидким, и он не мог сохранять свою форму после печати. Увеличение процентного содержания альгината привело к тому, что отверждающий раствор начал действовать так быстро, что гель затвердевал, прежде чем приклеился к верхнему слою. Гидрогель, который сохраняет свою форму и не затвердевает слишком быстро, был разработан с использованием 2,8 мас.% Альгината.

Как разработать гидрогель

Материалы

Агароза (0,9 мас.%)

Альгинат (2,8 мас.%)

Метилцеллюлоза (3,0 мас.%)

Сахароза (3,0 мас.%)

Хлорид кальция 0,1M (147,001 г / моль)

ddH20

агрегаты клеток

2 промытых и просушенных стакана

1 шпатель для смешивания

Алюминиевая фольга

Пластиковая весовая бумага

Мерный цилиндр

Процедура

Изготовление гидрогеля:

1. Отмерьте определенное количество ddH20 в зависимости от того, сколько гелевого раствора вы хотите приготовить. Используйте мерный цилиндр, чтобы получить определенный объем ddH20.
2. Раствор гидрогеля будет содержать альгинат (2,8 мас.%), Агарозу (0,9 мас.%), Сахарозу (3 мас.%) И метилцеллюлозу (3 мас.%). Надлежащие порции компонентов раствора гидрогеля будут измеряться с помощью пластиковой весовой бумаги.
3. После взвешивания всех компонентов добавьте ddh20, сахарозу, агарозу и, наконец, альгинат натрия в один из сухих стаканов. Вращайте, чтобы перемешать, но не используйте для перемешивания лопатку, потому что порошок будет прилипать к шпателю.
4. После смешивания оберните верхнюю часть стакана алюминиевой фольгой и промаркируйте стакан. Прикрепите кусок автоклавной ленты к верхней части фольги.
5. Поместите оставшуюся метилцеллюлозу в другой сухой стакан и заверните его в алюминиевую фольгу, как и в предыдущем стакане. Пометьте этот стакан и прикрепите кусок автоклавной ленты к верхней части фольги.
6. Оберните 1 шпатель алюминиевой фольгой и убедитесь, что ничего не обнажается. Оберните ленту автоклава на завернутый шпатель.
7. Автоклавируйте 2 стакана и 1 шпатель при 121 ° C в течение 20 минут во время цикла стерилизации. НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ АВТОКЛАВ ПРИ СТЕРИЛЬНОМ И СУХОМ ЦИКЛЕ.
8. После завершения цикла автоклава дайте гелю остыть до комнатной температуры и, как только он достигнет ее, начинайте работу в шкафу биологической безопасности.
9. Обязательно вымойте руки и руки и соблюдайте правила асептики после работы в шкафу биобезопасности. Также УБЕДИТЕСЬ, что не входите в прямой контакт с предметами, которые будут касаться геля или находиться рядом с гелем (например, конец шпателя для перемешивания или область алюминиевой фольги, которая находится над гелем).
10. В шкафу биобезопасности смешайте метилцеллюлозу с гелем до однородного распределения. После перемешивания снова заверните верхнюю часть смешанного гелевого раствора и поместите в холодильник на ночь.
11. Отсюда гель можно использовать для введения клеток или для других целей, таких как печать.

Добавление ячеек:

1. Отфильтруйте ячейки, чтобы они были одного размера. Наша процедура фильтрации

   Слегка соскребите клетки с чашки Петри и используйте сито 380 микрометров для фильтрации клеток.

2. Осторожно перемешайте отфильтрованные клетки в растворе гидрогеля, используя шпатель с плоской головкой, чтобы избежать потери смеси (которая была автоклавирована).
3. После перемешивания клетки центрифугируют пузырьки
4. На этом гидрогель готов, и его можно использовать для печати, отверждения и будущих экспериментов.

Как приготовить отверждающий раствор (0,1 М хлорид кальция, CaCl2)

Материалы

Хлорид кальция

ddH20

Сахароза (3 мас.%)

Процедура (приготовление 1 л отверждающего раствора)

1. Отмерьте 147,01 г хлорида кальция, 30 мл сахарозы и 1 л ddH20.
2. Смешайте хлорид кальция, сахарозу и ddH20 в большом стакане или контейнере.
3. Погрузите гель в раствор для отверждения не менее чем на 10 минут, чтобы он затвердел.

Шаг 13: Распечатайте

Теоретически биопечать очень просто; однако на практике есть много факторов, которые могут вызвать сбои. Мы обнаружили, что с помощью этого геля можно сделать несколько вещей, чтобы добиться максимального успеха в нашем приложении:

1. Используйте небольшое количество раствора CaCl2 для частичного отверждения геля во время печати.
2. Используйте бумажное полотенце на дне чашки Петри, чтобы увеличить адгезию.
3. Используйте бумажное полотенце, чтобы равномерно распределить небольшое количество CaCl2 по всему отпечатку.
4. используйте ползунок расхода в Repetier, чтобы найти правильный расход

Для разных применений и разных гелей могут потребоваться разные методы. Наша процедура формировалась за несколько месяцев. Терпение - ключ к успеху.

Удачи, если вы попробуете этот проект и не стесняйтесь задавать любые вопросы.

Первый приз конкурса Arduino Contest 2019