Nízkonákladová biotlačiareň: 13 krokov (s obrázkami)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-13 06:58

Sme výskumný tím vedený undergradom v UC Davis. Sme súčasťou skupiny BioInnovation Group, ktorá pôsobí v laboratóriu TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (poradcovia Dr. Marc Facciotti a Andrew Yao, M. S.). Laboratórium spája študentov rôzneho pôvodu, aby pracovali na tomto projekte (mech/chemické/biomedicínske inžinierstvo).

Trochu pozadia tohto projektu je, že sme začali tlačiť transgénne ryžové bunky v spolupráci s doktorkou Karen McDonaldovou z oddelenia ChemE s cieľom vyvinúť lacnú biotlačiareň, aby bol biotlač prístupnejší pre výskumné inštitúcie. V súčasnej dobe stoja biotlačiarne nižšej triedy približne 10 000 dolárov, zatiaľ čo špičkové biotlačiarne stoja približne 170 000 dolárov. Na rozdiel od toho môže byť naša tlačiareň postavená za približne 375 dolárov.

Zásoby

Diely:

1. Rampy 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Ovládače krokových motorov:
4. Ďalší krokový motor (voliteľný)
5. Tvorivý lúč 2 v X 1 pal
6. Hardvér na pripevnenie nosníka
7. Skrutky M3 rôznych veľkostí
8. Matice M3 x2
9. 8 mm závitová tyč
10. Matica 8 mm
11. Ložisko 608
12. Spojovací klip
13. Vlákno
14. Monoprice V2
15. Kravaty na zips
16. Tepelne matice M3 so šírkou 2 mm

Náradie:

1. Vŕtačky rôznych veľkostí
2. Ručná vŕtačka
3. Vŕtačka
4. Pílka na drevo
5. Spájkovačka + spájka
6. Odstraňovač drôtov
7. Ihlové kliešte na nos
8. Šesťhranné kľúče rôznych veľkostí

Laboratórny materiál:

1. Petriho misky s priemerom 70 mm
2. 60 ml injekčná striekačka s hrotom Luer-lock
3. 10 ml injekčná striekačka s hrotom Luer-lock
4. Kovanie Luer-lock
5. Hadice na tvarovky
6. T konektor pre hadičky
7. Odstredivka
8. Centrifugačné skúmavky 60 ml
9. Mierka
10. Odvážte lode
11. Autokláv
12. Kadičky
13. Odmerný valec
14. 0,1 M roztok CaCl2
15. Agarose
16. Alginát
17. Metylcelulóza
18. Sacharóza

Softvér:

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

Krok 1: Výber 3D tlačiarne

Ako začínajúcu 3D tlačiareň sme vybrali Mini 3D tlačiareň Monoprice MP Select Mini V2. Táto tlačiareň bola vybraná kvôli jej nízkym nákladom a vysokej dostupnosti. Okrem toho už bol k dispozícii veľmi presný 3D model tlačiarne, ktorý uľahčoval dizajn. Tento návod bude prispôsobený pre túto konkrétnu tlačiareň, ale podobný postup je možné použiť aj na konverziu iných bežných tlačiarní FDM a CNC strojov.

Model s vysokou presnosťou:

Krok 2: 3D tlač

Pred demontážou tlačiarne Monoprice je potrebné na úpravu 3D tlačiarne vytlačiť niekoľko dielov. Existujú verzie extrudérov na pastu, tie, ktoré vyžadujú epoxid a druhé nie. Ten, ktorý vyžaduje epoxid, je kompaktnejší, ale montáž je náročnejšia.

Krok 3: Pripravte tlačiareň na úpravu

Predný panel veže, spodný kryt a ovládací panel by mali byť odstránené. Po odstránení spodnej časti odpojte všetku elektroniku od riadiacej dosky a vyberte riadiacu dosku.

Krok 4: Vymeniteľný držiak

Telo 1 a telo 14 vyžadujú dve matice vytvrdzované teplom. Telo 1 je pripevnené k rámu tlačiarne pomocou dvoch skrutiek M3 skrytých pod pásom. Skrutky je možné odhaliť odstránením napínača pásu a potiahnutím pásu na jednu stranu.

Krok 5: Prepínač osi Z

Prepínač osi Z je premiestnený tak, aby počas navádzacej sekvencie bolo možné použiť ihlu ľubovoľnej dĺžky bez kompenzácie v softvéri. Spínač by mal byť namontovaný pomocou 2 skrutiek M3 na šasi tlačiarne priamo pod tlačovú hlavu čo najbližšie k tlačovému lôžku.

Krok 6: Zapojenie

Zapojenie sa vykonáva v súlade s normami Ramps 1.4. Jednoducho postupujte podľa schémy zapojenia. Pre svorkovnice odrežte a pocínujte drôty podľa potreby. Niektoré vodiče môžu byť potrebné predĺžiť.

Krok 7: Epoxidový extrudér

Aj keď tlač extrudéra trvá kratšie, používa epoxid, čo zvyšuje celkový čas výroby na viac ako 24 hodín. 8 mm závitová tyč by mala byť epoxidovaná na ložisko 608 a ložisko by malo byť epoxidované na 3D tlačený kus telesa 21. Okrem toho by mala byť matica závitovej tyče epoxidovaná na teleso 40. Akonáhle je epoxid úplne vytvrdený, guma špičky z piestov 60 ml a 10 ml striekačky je možné nasadiť na telo 9, respektíve telo 21. Nebolo možné nájsť vhodné T tvarovky, takže surový bol vyrobený zo 6 mm mosadznej trubice a spájky. Extrudér funguje ako hydraulický systém, ktorý vytláča Bioink zo spodnej komory 10 ml striekačky. Vzduch je možné zo systému evakuovať energickým pretrepaním rúrok, pričom držte tvarovku T v najvyššom bode.

Krok 8: Pravidelný extrudér na prilepenie

Tento extrudér je možné jednoducho priskrutkovať. Nevýhodou tohto extrudéra je, že je objemnejší a má vysokú vôľu.

Krok 9: Krok 9: Firmware Arduino

Arduino potrebuje firmvér na spustenie krokových ovládačov a ďalšej elektroniky. Vybrali sme si Marlin, pretože je bezplatný, ľahko upraviteľný pomocou Arduino IDE a dobre podporovaný. Upravili sme firmvér pre náš konkrétny hardvér, ale je veľmi jednoduché ho zmeniť pre iné tlačiarne, pretože celý kód je komentovaný a jasne vysvetlený. Dvojitým kliknutím na súbor MonopriceV2BioprinterFirmware.ino otvoríte konfiguračné súbory marlin.

Krok 10: Profil Cura

Profil Cura je možné importovať do zariadenia Ultimaker Cura 4.0.0 a použiť ho na výrobu ôk s veľkým povrchom na použitie v hojnom reaktore. Generovanie Gcode pre tlačiareň je stále veľmi experimentálne a vyžaduje si veľa trpezlivosti. Tiež je priložený testovací kód pre cirkulárny profúzny reaktor.

Krok 11: Zmena štartovacieho G-kódu

Prilepte tento kód do úvodného nastavenia kódu G:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

V programe Repetier upravte štartovací kód Gcode na slicer-> Konfigurácia-> G-kódy-> spustite G- kódy. Hodnotu G92 Z je potrebné upraviť pre každý konkrétny prípad. Pomaly zvyšujte hodnotu, kým nebude ihla na začiatku tlače v požadovanej vzdialenosti od povrchu Petriho misky.

Krok 12: Vytvorenie bioinku

Proces vývoja Bioink vhodného pre aplikáciu je zložitý. Toto je postup, ktorý sme dodržali:

Zhrnutie

Hydrogél je vhodný pre rastlinné bunky citlivé na strih a má otvorené makropóry, ktoré umožňujú difúziu. Hydrogél sa vyrába rozpustením agarózy, alginátu, metylcelulózy a sacharózy v deionizovanej vode a pridaním buniek. Gél je viskózny, kým nie je vytvrdený 0,1 M chloridom vápenatým, vďaka čomu je pevný. Vytvrdzovací roztok chloridu vápenatého sa zosieťuje s alginátom, aby bol pevný. Alginát je základom gélu, metylcelulóza gél homogenizuje a agaróza poskytuje väčšiu štruktúru, pretože pri izbovej teplote želíruje. Sacharóza poskytuje bunkám potravu, aby mohli ďalej rásť v hydrogéli.

Stručný prehľad niektorých experimentov na overenie gélu

Testovali sme rôzne hydrogély s rôznym množstvom agarózy a zaznamenali sme jej konzistenciu, ako ľahko sa tlačí a či sa v vytvrdzovacom roztoku potápal alebo plával. Zníženie percenta alginátu spôsobilo, že gél bol príliš tekutý a nebol schopný udržať si tvar po tlači. Zvýšenie percenta alginátu spôsobilo, že vytvrdzovací roztok pracoval tak rýchlo, že gél pred priľnutím k hornej vrstve vytvrdol. Hydrogél, ktorý drží tvar a nevytvrdzuje sa príliš rýchlo, bol vyvinutý s použitím 2,8% hmotnostných alginátu.

Ako vyvinúť hydrogél

Materiály

Agaróza (0,9 %hmotn.)

Alginát (2,8 %hmotn.)

Metylcelulóza (3,0%hmotn.)

Sacharóza (3,0%hmotn.)

Chlorid vápenatý.1M (147,001 g/mol)

ddH20

agregáty buniek

2 umyté a sušené kadičky

1 miešacia stierka

Alobal

Papier na váženie z plastu

Odstupňovaný valec

Postup

Výroba hydrogélu:

1. Odmerajte konkrétne množstvo ddH20 na základe toho, koľko gélového roztoku chcete pripraviť. Pomocou odmerného valca získajte špecifický objem ddH20.
2. Hydrogélový roztok bude obsahovať alginát (2,8 %hmotn.), Agarózu (0,9 %hmotn.), Sacharózu (3 %hmotn.) A metylcelulózu (3 %hmotn.). Správne časti zložiek hydrogélového roztoku sa odmerajú pomocou plastového vážiaceho papiera.
3. Po odvážení všetkých zložiek pridajte do jednej zo suchých kadičiek ddh20, sacharózu, agarózu a nakoniec alginát sodný. Miešaním krúžte, ale na miešanie nepoužívajte stierku, pretože prášok sa na špachtľu prilepí.
4. Po premiešaní vrch kadičky poriadne zabalte do alobalu a kadičku označte. Na vrch fólie pridajte kúsok autoklávovej pásky.
5. Zostávajúcu metylcelulózu vložte do druhej suchej kadičky a zabaľte do hliníkovej fólie ako predchádzajúcu kadičku. Označte túto kadičku a na vrch fólie pridajte kúsok autoklávovej pásky.
6. 1 stierku zabaľte do hliníkovej fólie a uistite sa, že žiadna z nich nie je odhalená. Do zabalenej špachtle pridajte autoklávovú pásku.
7. 2 kádinky a 1 špachtľa sa sterilizujú v autokláve pri 121 ° C počas 20 minút. NEPOUŽÍVAJTE AUTOCLAVE v sterilnom a suchom cykle.
8. Akonáhle je cyklus autoklávu dokončený, nechajte gél vychladnúť na izbovú teplotu a akonáhle dosiahne svoj, začnite pracovať v skrinke biologickej bezpečnosti.
9. Po použití v skrini na biologickú bezpečnosť si umyte ruky a ruky a používajte správnu aseptickú techniku. Uistite sa tiež, aby ste neprišli do priameho kontaktu s predmetmi, ktoré sa budú dotýkať gélu alebo sa budú nachádzať v blízkosti gélu (napr. Koniec špachtle na miešanie alebo oblasť hliníkových fólií, ktorá sedí nad gélom)
10. V skrini na biologickú bezpečnosť primiešajte metylcelulózu do gélu, aby sa dosiahlo homogénne šírenie. Akonáhle je miešanie hotové, zabaľte vrch zmiešaného gélového roztoku a dajte na noc do chladničky.
11. Odtiaľ sa gél môže použiť na zavedenie buniek alebo na iné účely, ako je tlač.

Pridanie buniek:

1. Bunky prefiltrujte, aby mali rovnakú veľkosť. Náš postup pri filtrovaní je

   Bunky ľahko zoškrabte z Petriho misky a pomocou filtra s veľkosťou 380 mikrometrov prefiltrujte bunky.

2. Filtrované bunky v roztoku hydrogélu jemne vmiešajte pomocou špachtle s plochou hlavou, aby ste predišli strate zmesi (ktorá bola autoklávovaná).
3. Po zmiešaní buniek odstreďte bubliny
4. Odtiaľ je hydrogél kompletný a môže byť použitý na tlač, vytvrdzovanie a budúce experimenty.

Ako vyvinúť vytvrdzovací roztok (0,1 M chlorid vápenatý, CaCl2)

Materiály

Chlorid vápenatý

ddH20

Sacharóza (3 hm. %)

Postup (na prípravu 1 litra vytvrdzovacieho roztoku)

1. Zmerajte 147,01 g chloridu vápenatého, 30 ml sacharózy a 1 liter ddH20.
2. Chlorid vápenatý, sacharózu a ddH20 zmiešajte vo veľkej kadičke alebo nádobe.
3. Na vytvrdnutie ponorte gél do vytvrdzovacieho roztoku najmenej na 10 minút.

Krok 13: Tlačte

Bioprint je teoreticky veľmi jednoduchý; v praxi však existuje mnoho faktorov, ktoré môžu spôsobiť zlyhania. S týmto gélom sme zistili, že pre maximalizáciu úspechu našej aplikácie je možné urobiť niekoľko vecí:

1. Na potlačenie gélu počas tlače použite malé množstvo roztoku CaCl2,
2. Na zvýšenie priľnavosti použite papierovú utierku v spodnej časti Petriho misky
3. Papierovou utierkou rovnomerne rozotrite malé množstvo CaCl2 na celú tlač
4. Na nájdenie správneho prietoku použite posuvník prietoku v Repetier

Na rôzne aplikácie a rôzne gély môže byť potrebné použiť rôzne techniky. Náš postup bol generovaný niekoľko mesiacov. Trpezlivosť je kľúčová.

Veľa šťastia, ak sa pokúsite o tento projekt a pokojne sa pýtajte na akékoľvek otázky.

Prvá cena v súťaži Arduino 2019