Mikrocentrifúga Biomedicínske zariadenie s otvoreným zdrojom: 11 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Ide o prebiehajúci projekt, ktorý bude aktualizovaný s podporou komunity a ďalším výskumom a pokynmi

Cieľom tohto projektu je vytvoriť modulárne laboratórne zariadenie s otvoreným zdrojom, ktoré sa dá ľahko prepravovať a je vyrobené z lacných dielov, ktoré pomôže pri diagnostike chorôb v odľahlých oblastiach a oblastiach s nízkou infraštruktúrou

Pôjde o pokračujúci projekt s otvorenými zdrojmi s poslaním poskytnúť modulárnu platformu pre zdravotnícke pomôcky, ktorú je možné ľahko upravovať a rozširovať za nízke náklady

Pôvodné návrhy budú pre modulárnu batériu a súpravu jednosmerných motorov a mikrocentrifúgu

Bude hľadať pomoc online komunity s otvoreným zdrojovým kódom, ktorá jej pomôže s podporou, úpravami a ďalšími návrhmi, aby sa zamerala na individuálne špecifické potreby zdravotníckych pracovníkov vo vzdialených a vidieckych oblastiach

UPOZORNENIE: Projekt stále prechádza testovaním dizajnu a funkčnosti a zatiaľ nie je vhodný na ŽIADNE diagnostické ani klinické aplikácie. Elektroniku a motory je možné montovať a používať na vlastné riziko čitateľov

Krok 1: Vyhlásenia o probléme a návrhu

Vyhlásenie o probléme:

Nedostatočný prístup k laboratórnemu a klinickému vybaveniu na pomoc pri diagnostike a liečbe chorôb vedie k úmrtiu mnohých ľudí v odľahlých oblastiach a oblastiach s nízkou infraštruktúrou, ktorým sa dá predísť. Konkrétne nedostatok prístupu k základným spoľahlivým odstredivkám zbavuje zdravotníckych pracovníkov dôležitého nástroja v boji proti krvou prenosným patogénom, akými sú AIDS a malária.

Vyhlásenie o návrhu: Navrhnúť mikrocentrifúgu a modulárny akumulátor a súpravu jednosmerných motorov na pomoc pri diagnostike a liečbe chorôb spôsobených krvou prenosných patológií (patogénov a parazitov). Tento návrh s využitím aditívnych výrobných techník, kde je to životaschopné, sa snaží zlepšiť prenosnosť a znížiť ekonomické bariéry život zachraňujúcich technológií.

Krok 2: Zdôvodnenie návrhu:

Tento dizajn je zameraný na výrobu mikrocentrifúgy vhodnej na náhradné použitie vo vidieckych oblastiach pomocou stolnej 3D FDM tlače, laserového rezania a hobby elektroniky. Dúfame, že pri tom bude zariadenie prístupné širokému spektru zdravotníckych pracovníkov s rôznym prístupom k zdrojom.

Pri navrhovaní rotora odstredivky (časť konštrukcie, ktorá obsahuje skúmavky):

Požadovaná sila G na separáciu vzoriek závisí od požadovaného typu vzorky, pričom priemerné sily na separáciu krvi na jej zložky sa pohybujú v rozmedzí 1 000-2 000 g (thermofisher.com)

Výpočet otáčok za minútu na RFC (sila G) sa dá vypočítať pomocou RCF = (ot / min) 2 × 1,118 × 10-5 × r, kde „r“je polomer rotora (bcf.technion.ac.il)

Krok 3: Úvahy o dizajne

Úvahy o aditívnej výrobe:

• Môže dôjsť k zlej adhézii vrstvy, čo má za následok slabú pevnosť v ťahu a poškodenie dielu

• Požadované vlastnosti, líšia sa v závislosti od materiálu. Niektoré ponúkajú dobré bočné napätie a pevnosť v tlaku pri nízkej hmotnosti a cene

• Pri krájaní G-kódu je potrebné použiť správne nastavenia, aby sa zaistilo dosiahnutie požadovaných vlastností materiálu

• Životnosť súčiastok vyrobených touto technikou je relatívne nízka v porovnaní s tými, ktoré používajú drahšie techniky a materiály ako CNC frézovanie kovov.

• Termoplasty majú relatívne nízku prechodovú teplotu, preto je potrebné udržiavať nízku prevádzkovú teplotu (<približne 80-90 stupňov Celzia) • 3D tlačené vzory s otvoreným zdrojovým kódom umožnia používateľom upravovať návrhy tak, aby vyhovovali ich potrebám a obmedzeniam.

Ďalšie konštrukčné obmedzenia:

• Niektoré oblasti nemusia mať adekvátny prístup k napájaniu, možno budú musieť byť napájané základným prenosným solárnym článkom, batériami atď.

• Vibrácie a vyváženie môžu byť problémom

• Musí byť schopný produkovať vysoké otáčky po dobu až 15 minút alebo viac, čo má za následok vysoké mechanické namáhanie niektorých častí.

• Používatelia nemusia mať skúsenosti s používaním zariadenia a budú potrebovať podporu pri znižovaní technickej bariéry

Krok 4: Počiatočný/základný návrh modulu

Vyššie uvedený dizajn najlepšie využíva priestor na poskytnutie adekvátneho priestoru pre vnútorné elektronické súčiastky a zaisťuje dostatočne veľký polomer pre rôzne rotory odstrediviek a dimenzovanie rúrok. Štýl „snap together“dizajnu bol zvolený tak, aby eliminoval potrebu podporného materiálu počas výroby a umožnil jednoduchú tlač, opravu a výrobu v aditívnej aj subtraktívnej výrobe. Navyše tlač menších jednotlivých dielov zníži dopad zlyhania/chyby tlače a umožní použitie väčšieho množstva veľkostí tlačových plôch.

Využitím výhody modulárnej konštrukcie je možné k zariadeniu pripevniť mnoho rôznych typov odstredivých misiek. Rýchle úpravy a výroba týchto dielov prostredníctvom aditívnej výroby umožňujú zmeny produkovanej sily G a spracovanú veľkosť/typ vzorky. To pomáha získať výhodu oproti tradičným strojom a poskytuje inovatívny prístup k navrhovaniu strojov podľa potrieb koncového používateľa. Záťažové kontajnery navyše poskytujú príležitosť pridať podporu a tlmiť vibrácie.

Krok 5: Zoznam dielov

3D tlačené časti: Súbory budú nahrané do Githubu a ďalších aplikácií a aktualizované čo najskôr.

• 1 x skrutka vretena
• 1 x matica rotora
• 1 x matica veka
• 1 x hlavné veko
• 4 x Telo rotora
• 1 x rotor s pevným uhlom
• 4 x horný/dolný predradník
• 2 x bočný predradník

Elektronika: (Odkazy na produkty čoskoro)

Arduino Nano (8-10 dolárov)

Konektorové vodiče (<0,2 $)

Elektronický regulátor rýchlosti (8-10 dolárov)

Bezkartáčový jednosmerný motor 12V (15-25 dolárov)

Potenciometer (0,1 dolára)

Nabíjateľná batéria Li-po (15-25 dolárov)

Krok 6: Tlač dielov:

Všetky diely sú k dispozícii na github tu: Tiež k dispozícii na serveri thingsivers tu:

3d Tlačené diely: 1 x skrutka vretena

1 x matica rotora

1 x matica veka

1 x hlavné veko

4 x Telo rotora

1 x rotor s pevným uhlom

4 x horný/dolný predradník

2 x bočný predradník

Všeobecné nastavenia konceptu od spoločnosti Cura alebo podobné nástroje vo vybranom softvéri na krájanie sú dobrým vodítkom pre tlač všetkých častí tela a predradníka.

Krok 7: Zostavenie: prvý krok

• Nasledujúce diely pripravte na montáž podľa obrázku:

  • Základňa odstredivky
  • Plášť komponentu
  • 4 x teleso rotora
• Všetky diely by mali tesne priliehať k sebe a byť zaistené vhodnými lepidlami

Krok 8: Montáž: Elektronické súčiastky

Na testovanie pripravte nasledujúce elektronické súčiastky:

• Jednosmerný motor a ECS
• Batéria
• Arduino Nano
• Breadboard
• Potenciometer
• Prepojovacie vodiče

Kódovanie a pokyny pre arduino nájdete tu:

Článok od

Testovací motor beží hladko a reaguje na potenciometer. Ak je, nainštalujte elektroniku do krytu a vyskúšajte, či motor beží hladko a bez vibrácií.

Obrázky presného umiestnenia budú čoskoro pridané.

Krok 9: Zostavenie: pripevnenie rotora a rozmetávacej skrutky

Zozbierajte rotor, valčeky, rozmetávač a matice.

Zaistite, aby všetky diely dobre sedeli. Brúsenie môže pomôcť, ak je uloženie príliš tesné.

Zaistite, aby mal rotor hladkú dráhu a aby nepreskakoval ani sa nekýval. Plochú misku je možné vytlačiť alebo vystrihnúť z akrylátu, aby v prípade potreby zaistila stabilitu.

Akonáhle sú diely prebrúsené a osadené, pripevnite skrutkovaciu skrutku k vretenu motora a zaistite rotor maticami podľa obrázku.

Rotor je možné odstrániť pri vykladaní a vkladaní vzoriek alebo pri zmene typov rotorov.

Krok 10: Montáž: predradník a viečka

Zhromaždite horné a bočné predradníky, ktoré budú slúžiť ako podpera, závažie a tlmenie vibrácií.

Časti by mali do seba zapadnúť a pri plnení by mali zostať na svojom mieste. V prípade potreby je možné diely zaistiť spolu super lepidlom alebo podobným lepidlom.

Po pripevnení hornou maticou rotora by malo hlavné veko nad rotorom bezpečne sedieť.

Diely by mali sedieť tak, ako je to znázornené na obrázku.

Krok 11: Záver

Zdravotnícki pracovníci na vzdialenom mieste stoja pred výzvou ekonomických a logistických prekážok spojených so získavaním a údržbou životne dôležitých zdravotníckych a diagnostických prístrojov a súčastí. Nedostatočný prístup k základnému vybaveniu, ako sú odstredivky a čerpacie systémy, môže viesť k smrteľným čakacím dobám a k nesprávnej diagnóze.

Tento dizajn dosiahol požadovaný výsledok tým, že ukázal, že je možné vytvoriť zdravotnícke zariadenie s otvoreným zdrojom (mikrocentrifúga) s použitím techník výroby stolových počítačov a základných elektronických komponentov. Dá sa vyrobiť za jednu desatinu nákladov na komerčne dostupné stroje a dá sa ľahko opraviť alebo rozobrať na diely, ktoré sa majú použiť v iných zariadeniach, čím sa znížia ekonomické bariéry. Elektronické komponenty poskytujú konštantný spoľahlivý výkon po dobu potrebnú na spracovanie väčšiny bežných vzoriek krvi a poskytujú lepšiu diagnostiku ako ručne napájané alebo výstupné jednotky v oblastiach s nízkou infraštruktúrou. Realizovateľnosť tohto návrhu má budúci potenciál vo vývoji modulárnej platformy zdravotníckych pomôcok s otvoreným zdrojom, ktorá používa základnú sadu komponentov na pohon rôznych zariadení, ako sú peristaltické čerpadlá alebo, ako v tomto prípade, mikrocentrifúgy. Po zriadení knižnice súborov s otvoreným zdrojovým kódom by sa prístup k jedinej tlačiarni FDM mohol použiť na výrobu celého radu súčiastok, pričom koncový používateľ vyžaduje len málo znalostí o dizajne. Tým by sa odstránili logistické problémy súvisiace s prepravou základných komponentov, čím by sa šetrila doba a životy.