Tania biodrukarka: 13 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Jesteśmy zespołem badawczym prowadzonym przez studia licencjackie na UC Davis. Jesteśmy częścią BioInnovation Group, która działa w TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (doradcy dr Marc Facciotti i Andrew Yao, MS). Laboratorium skupia studentów z różnych środowisk do pracy nad tym projektem (inżynieria mechaniczna/chemiczna/biomedyczna).

Trochę tła tego projektu polega na tym, że rozpoczęliśmy drukowanie transgenicznych komórek ryżu we współpracy z dr Karen McDonald z wydziału ChemE w celu opracowania taniej biodrukarki, aby uczynić biodruk bardziej dostępnym dla instytucji badawczych. Obecnie biodrukarki z niższej półki kosztują około 10 000 USD, podczas gdy biodrukarki z wyższej półki kosztują około 170 000 USD. W przeciwieństwie do tego, naszą drukarkę można zbudować za około 375 USD.

Kieszonkowe dzieci

Części:

1. Rampy 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Sterowniki silników krokowych:
4. Dodatkowy silnik krokowy (opcjonalnie)
5. Promień ekspresu 2 cale X 1 cal
6. Sprzęt do mocowania wiązki Maker
7. Różne rozmiary śrub M3
8. Nakrętki M3 x2
9. Pręt gwintowany 8 mm
10. 8 mm nakrętka
11. Łożysko 608
12. Klips do segregatora
13. Włókno
14. Monoprice V2
15. Opaski na suwak
16. Nakrętki termoutwardzalne M3 o szerokości 2 mm

Narzędzia:

1. Wiertła o różnych rozmiarach
2. Wiertarka ręczna
3. Wiertarka pionowa
4. Brzeszczot
5. Lutownica + lut
6. Ściągacz izolacji
7. Szczypce półokrągłe
8. Klucze sześciokątne różne rozmiary

Materiały laboratoryjne:

1. Szalki Petriego o średnicy ~70mm
2. Strzykawka 60 ml z końcówką Luer-lock
3. Strzykawka 10 ml z końcówką Luer-lock
4. Złączki Luer-lock
5. Rurki do kształtek
6. Złącze T do rurek
7. Odwirować
8. Probówki wirówkowe 60ml
9. Skala
10. Ważenie łodzi
11. Autoklaw
12. Zlewki
13. Cylinder z podziałką
14. 0,1M roztwór CaCl2
15. Agaroza
16. Alginat
17. Metyloceluloza
18. Sacharoza

Oprogramowanie:

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

Krok 1: Wybór drukarki 3D

Jako początkową drukarkę 3D wybraliśmy Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2. Ta drukarka została wybrana ze względu na jej niski koszt i wysoką dostępność. Dodatkowo dostępny był już bardzo dokładny model 3D drukarki, co ułatwiało projektowanie. Ta instrukcja będzie dostosowana do tej konkretnej drukarki, ale podobny proces można zastosować do konwersji innych popularnych drukarek FDM i maszyn CNC.

Model o wysokiej dokładności:

Krok 2: Drukowanie 3D

Przed demontażem drukarki Monoprice należy wydrukować kilka części w celu modyfikacji drukarki 3D. Istnieją wersje wytłaczarek do pasty, jedna wymagająca żywicy epoksydowej i taka, która nie wymaga. Ten, który wymaga żywicy epoksydowej, jest bardziej kompaktowy, ale trudniejszy w montażu.

Krok 3: Przygotuj drukarkę do modyfikacji

Przedni panel wieży, dolną pokrywę i panel sterowania należy zdjąć. Po zdjęciu spodu odłącz całą elektronikę od tablicy sterowniczej i wyjmij tablicę sterowniczą.

Krok 4: Wymienne mocowanie

Korpus 1 i Korpus 14 wymagają dwóch nakrętek termoutwardzalnych. Korpus 1 mocowany jest do ramy drukarki za pomocą dwóch śrub M3 ukrytych pod paskiem. Śruby można odsłonić, zdejmując napinacz paska i pociągając pasek na bok.

Krok 5: Przełącznik osi Z

Przełącznik osi Z został przesunięty tak, aby podczas sekwencji naprowadzania można było używać dowolnej długości igły bez kompensacji w oprogramowaniu. Przełącznik powinien być montowany za pomocą 2 śrub M3 do obudowy drukarki bezpośrednio pod głowicą drukującą, jak najbliżej stołu roboczego.

Krok 6: Okablowanie

Okablowanie wykonane jest zgodnie ze standardami Ramps 1.4. Wystarczy postępować zgodnie ze schematem okablowania. Odciąć i ocynować przewody zgodnie z potrzebami dla listew zaciskowych. Niektóre przewody mogą wymagać przedłużenia.

Krok 7: Wytłaczarka epoksydowa

Chociaż ta wytłaczarka zajmuje mniej czasu na drukowanie, używa żywicy epoksydowej, co wydłuża całkowity czas budowy do ponad 24 godzin. Pręt gwintowany 8 mm powinien być epoksydowany do łożyska 608, a łożysko do elementu drukowanego 3D Korpus 21. Dodatkowo nakrętka pręta gwintowanego powinna być epoksydowana do korpusu 40. Po całkowitym utwardzeniu żywicy epoksydowej, guma końcówki z tłoków strzykawek 60 ml i 10 ml można dopasować odpowiednio do korpusu 9 i korpusu 21. Nie można było znaleźć odpowiedniego łącznika typu T, więc prymitywne zostało wykonane z mosiężnych rurek o średnicy 6 mm i lutu. Wytłaczarka działa jak układ hydrauliczny, który wypycha Bioink z dolnej komory strzykawki 10 ml. Powietrze można usunąć z systemu przez energiczne potrząsanie rurkami, przytrzymując trójnik w najwyższym punkcie.

Krok 8: Zwykła wytłaczarka do pasty

Ta wytłaczarka może być po prostu skręcona. Wadą tej wytłaczarki jest to, że jest bardziej masywny i ma duży luz.

Krok 9: Krok 9: Oprogramowanie układowe Arduino

Arduino potrzebuje oprogramowania układowego do uruchomienia sterowników krokowych i innej elektroniki. Wybraliśmy Marlin, ponieważ jest darmowy, łatwo modyfikowany za pomocą Arduino IDE i dobrze obsługiwany. Zmodyfikowaliśmy oprogramowanie sprzętowe dla naszego konkretnego sprzętu, ale jest ono dość łatwe do modyfikacji dla innych drukarek, ponieważ cały kod jest skomentowany i jasno wyjaśniony. Kliknij dwukrotnie plik MonopriceV2BioprinterFirmware.ino, aby otworzyć pliki konfiguracyjne marlina.

Krok 10: Profil Cura

Profil Cura można zaimportować do Ultimaker Cura 4.0.0 i wykorzystać do tworzenia siatek o dużej powierzchni do użytku w reaktorze profuzyjnym. Generowanie Gcode dla drukarki jest nadal wysoce eksperymentalne i wymaga dużo cierpliwości. Dołączony jest również testowy kod g dla okrągłego reaktora profuzyjnego.

Krok 11: Zmiana startowego kodu G

Wklej ten kod do początkowego ustawienia kodu G:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

W Repetier, aby zmodyfikować start Gcode, przejdź do slicer->Configuration->G-codes->start G-codes. Konieczne jest zmodyfikowanie wartości G92 Z dla każdego konkretnego przypadku. Powoli zwiększaj wartość, aż igła znajdzie się w pożądanej odległości od powierzchni szalki Petriego na początku wydruku.

Krok 12: Tworzenie biotuszu

Proces opracowywania biotuszu odpowiedniego do zastosowania jest złożony. Oto proces, który zastosowaliśmy:

Streszczenie

Hydrożel nadaje się do komórek roślinnych wrażliwych na ścinanie i ma otwarte makropory umożliwiające dyfuzję. Hydrożel powstaje przez rozpuszczenie agarozy, alginianu, metylocelulozy i sacharozy w wodzie dejonizowanej i dodanie komórek. Żel jest lepki, dopóki nie zostanie utwardzony 0,1 M chlorkiem wapnia, co czyni go wytrzymałym. Roztwór utwardzający chlorek wapnia sieciuje się z alginianem, aby uczynić go wytrzymałym. Alginian jest podstawą żelu, metyloceluloza homogenizuje żel, a agaroza zapewnia większą strukturę, ponieważ żeluje w temperaturze pokojowej. Sacharoza dostarcza komórkom pokarmu do dalszego wzrostu w hydrożelu.

Krótki przegląd niektórych eksperymentów w celu weryfikacji żelu

Przetestowaliśmy różne hydrożele z różnymi ilościami agarozy i zarejestrowaliśmy ich konsystencję, łatwość drukowania oraz to, czy tonęło, czy pływało w roztworze utwardzającym. Zmniejszenie zawartości alginianu spowodowało, że żel był zbyt płynny i nie był w stanie zachować kształtu po wydrukowaniu. Zwiększenie zawartości procentowej alginianu spowodowało, że roztwór utwardzający działał tak szybko, że żel utwardzał się przed przyklejeniem do górnej warstwy. Hydrożel, który zachowuje swój kształt i nie utwardza się zbyt szybko, został opracowany przy użyciu 2,8% wag. alginianu.

Jak opracować hydrożel

Materiały

Agaroza (0,9% wag.)

Alginian (2,8% wag.)

Metyloceluloza (3,0% wag.)

Sacharoza (3,0% wag.)

Chlorek wapnia 0,1M (147,001 g/mol)

ddH20

agregaty komórkowe

2 umyte i suszone zlewki

1 łopatka do mieszania

Folia aluminiowa

Plastikowy papier do ważenia

Cylinder miarowy

Procedura

Wykonanie hydrożelu:

1. Odmierz konkretną ilość ddH20 w zależności od tego, ile roztworu żelu chcesz przygotować. Użyj cylindra miarowego, aby uzyskać określoną objętość ddH20.
2. Roztwór hydrożelu będzie zawierał alginian (2,8% wag.), agarozę (0,9% wag.), sacharozę (3% wag.) i metylocelulozę (3% wag.). Właściwe porcje składników roztworu hydrożelu zostaną odmierzone za pomocą plastikowej papierowej wagi.
3. Po zakończeniu ważenia wszystkich składników dodaj ddh20, sacharozę, agarozę i na koniec alginian sodu do jednej z suchych zlewek. Mieszaj, ale nie używaj szpatułki do mieszania, ponieważ proszek przyklei się do szpatułki.
4. Po wymieszaniu owinąć odpowiednio wierzch zlewki folią aluminiową i oznaczyć zlewkę. Dodaj kawałek taśmy autoklawowej na górę folii.
5. Włóż pozostałą metylocelulozę do drugiej suchej zlewki i zawiń ją w folię aluminiową, tak jak poprzednia zlewka. Oznacz tę zlewkę i dodaj kawałek taśmy autoklawowej do górnej części folii.
6. Zawiń 1 szpatułkę w folię aluminiową i upewnij się, że żadna z nich nie jest odsłonięta. Dodaj taśmę autoklawową do owiniętej szpatułki.
7. Autoklawuj 2 zlewki i 1 szpatułkę w 121 C przez 20 minut podczas cyklu sterylizacji. NIE UŻYWAJ AUTOKLAWU W CYKLU STERYLNYM I NA SUCHO.
8. Po zakończeniu cyklu autoklawu odczekaj, aż żel ostygnie do temperatury pokojowej, a po jej osiągnięciu należy rozpocząć pracę w Gabinecie Bezpieczeństwa Biologicznego.
9. Upewnij się, że umyłeś ręce i ramiona oraz stosuj odpowiednią technikę aseptyczną podczas pracy w szafce bezpieczeństwa biologicznego. UPEWNIJ SIĘ również, aby nie stykać się bezpośrednio z przedmiotami, które będą dotykać żelu lub znajdować się w pobliżu żelu (np. końcówka mieszadła łopatki lub obszar folii aluminiowej, który znajduje się nad żelem)
10. W komorze bezpieczeństwa biologicznego wymieszaj metylocelulozę z żelem, aby uzyskać jednorodne rozprowadzenie. Po zakończeniu mieszania ponownie zawinąć górę zmieszanego roztworu żelu i umieścić w lodówce na noc.
11. Stąd żel może być używany do wprowadzania komórek lub do innych zastosowań, takich jak drukowanie.

Dodawanie komórek:

1. Przefiltruj komórki, aby miały ten sam rozmiar. Nasza procedura filtrowania to

   Lekko zeskrob komórki z szalki Petriego i użyj sita 380 mikrometrów do przefiltrowania komórek.

2. Delikatnie wymieszaj przefiltrowane komórki w roztworze hydrożelu za pomocą płaskiej łopatki, aby uniknąć utraty mieszaniny (która została autoklawowana).
3. Po wymieszaniu komórek odwiruj bąbelki
4. Od tego momentu hydrożel jest kompletny i może być używany do drukowania, utwardzania i przyszłych eksperymentów.

Jak opracować roztwór utwardzający (0,1M chlorek wapnia, CaCl2)

Materiały

Chlorek wapnia

ddH20

Sacharoza (3% wag.)

Procedura (aby zrobić 1L roztworu utwardzającego)

1. Odmierz 147,01 g chlorku wapnia, 30 ml sacharozy i 1 l ddH20.
2. Wymieszaj chlorek wapnia, sacharozę i ddH20 w dużej zlewce lub pojemniku.
3. Zanurz żel w roztworze utwardzającym na co najmniej 10 minut w celu utwardzenia.

Krok 13: Drukuj

W teorii biodrukowanie jest niezwykle proste; jednak w praktyce istnieje wiele czynników, które mogą powodować awarie. Dzięki temu żelowi odkryliśmy, że można zrobić kilka rzeczy, aby zmaksymalizować sukces naszej aplikacji:

1. Użyj niewielkich ilości roztworu CaCl2 do częściowego utwardzenia żelu podczas drukowania,
2. Użyj ręcznika papierowego na dnie szalki Petriego, aby zwiększyć przyczepność
3. Użyj ręcznika papierowego, aby równomiernie rozprowadzić niewielkie ilości CaCl2 na całym wydruku
4. użyj suwaka natężenia przepływu w Repetier, aby znaleźć prawidłowe natężenie przepływu

W przypadku różnych zastosowań i różnych żeli konieczne może być zastosowanie różnych technik. Nasza procedura była generowana przez kilka miesięcy. Cierpliwość jest kluczem.

Powodzenia, jeśli spróbujesz tego projektu i nie wahaj się zadawać pytań.

I nagroda w konkursie Arduino 2019