Dispozitiv biomedical open-source cu microcentrifugă: 11 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Acesta este un proiect în curs de desfășurare care va fi actualizat cu sprijinul comunității și cercetări și instruiri suplimentare

Scopul acestui proiect este de a crea echipamente de laborator modulare, cu sursă deschisă, ușor de transportat și construite din piese cu surse ieftine, pentru a ajuta la diagnosticarea bolilor în zonele de infrastructură îndepărtate și reduse

Acesta va fi un proiect continuu open-source cu misiunea de a oferi o platformă modulară pentru dispozitivele medicale, care poate fi ușor modificată și extinsă la un cost redus

Proiectele inițiale vor fi pentru o baterie modulară și un pachet de motoare de curent continuu și micro-centrifugă

Va solicita ajutorul comunității open-source online pentru a sprijini asistența, modificarea și proiectarea ulterioară, pentru a viza nevoile individuale specifice ale lucrătorilor din domeniul sănătății în regiunile îndepărtate și rurale

DISCLAIMER: Proiectul este încă în curs de proiectare și testare a funcționalității și nu este încă adecvat pentru ORICE aplicație de diagnostic sau clinică. Electronica și motoarele trebuie asamblate și utilizate pe propria răspundere a cititorilor

Pasul 1: Declarații de problemă și proiectare

Declarație problemă:

Lipsa accesului la echipamentele de laborator și clinice pentru a ajuta la diagnosticul și tratamentul bolilor duce la decesele prevenibile ale multor persoane în zonele de infrastructură îndepărtate și reduse. Mai exact, lipsa accesului la centrifugele fiabile de bază îi elimină pe lucrătorii din domeniul sănătății un instrument vital în lupta împotriva agenților patogeni transmisibili din sânge, cum ar fi SIDA și malaria.

Declarație de proiectare: Pentru a proiecta o microcentrifugă și o baterie modulară și un pachet de motoare de curent continuu, pentru a ajuta la diagnosticul și tratamentul bolilor cauzate de patologii transmise de sânge (agenți patogeni și paraziți). Folosind tehnici de fabricație aditivă acolo unde este viabil, acest design urmărește să îmbunătățească portabilitatea și să reducă barierele economice ale tehnologiilor de salvare a vieții.

Pasul 2: Justificare de proiectare:

Acest design vizează producerea unei microcentrifuge adecvate pentru înlocuirea în zonele rurale, utilizând imprimarea 3D FDM de birou, tăierea cu laser și electronica de tip hobby. În acest sens, se speră că dispozitivul va fi accesibil unei mari varietăți de profesioniști din domeniul sănătății cu acces diferit la resurse.

La proiectarea rotorului centrifugii (parte a proiectului care conține eprubete):

Forța G necesară pentru separarea probelor depinde de tipul de probă dorit, cu forțe medii pentru separarea sângelui în constituenții săi variind între 1 000 - 2 000 g (thermofisher.com)

Calculul RPM la RFC (forța G), poate fi calculat folosind RCF = (rpm) 2 × 1.118 × 10-5 × r, unde „r” este raza rotorului (bcf.technion.ac.il)

Pasul 3: Considerații de proiectare

Considerații privind fabricația aditivă:

• Poate apărea o aderență slabă a stratului, rezultând o rezistență slabă la tracțiune și deteriorarea pieselor

• Proprietățile necesare, vor varia în funcție de materiale. Unele oferă o rezistență laterală bună și rezistență la compresiune la o greutate și cost redus

• Setările corecte în timpul tranșării codului G trebuie aplicate pentru a se asigura că sunt obținute proprietățile materialului dorite

• Longevitatea pieselor produse folosind această tehnică este relativ scăzută în comparație cu cele care folosesc tehnici și materiale mai scumpe, cum ar fi frezarea CNC a metalelor.

• Materialele termoplastice au o temperatură de tranziție relativ scăzută, deci trebuie menținută o temperatură de funcționare scăzută (<aproximativ 80-90 celcius).

Alte constrângeri de proiectare:

• Este posibil ca unele zone să nu aibă acces adecvat la energie electrică, să fie alimentate cu energie solară de bază, baterii etc.

• Vibrația și echilibrul pot fi o problemă

• Trebuie să fie capabil să producă RPM ridicat pentru perioade de până la 15 minute sau mai mult, rezultând solicitări mecanice ridicate pe unele piese

• Este posibil ca utilizatorii să nu aibă experiență în utilizarea echipamentelor și vor necesita asistență pentru a reduce bariera tehnică

Pasul 4: Proiectarea inițială / modulului de bază

Designul de mai sus utilizează cel mai bine spațiul pentru a oferi spațiu adecvat componentelor electronice interne și asigură o rază suficient de mare pentru o varietate de rotori de centrifugă și dimensionarea tuburilor. Stilul „îmbinat împreună” al designului a fost ales pentru a elimina necesitatea materialului de susținere în timpul producției și pentru a permite imprimarea, repararea și fabricarea ușoară atât în procesul de fabricație aditivă cât și subtractiv. În plus, imprimarea pieselor individuale mai mici va reduce impactul defectării / erorii de imprimare și va permite utilizarea unei varietăți mai mari de dimensiuni ale patului de imprimare.

Profitând de un design modular, multe dispozitive diferite de boluri centrifuge pot fi atașate la dispozitiv. Modificările rapide și producția acestor piese prin fabricarea aditivă permit modificări ale forței G produse și mărimea / tipul eșantionului prelucrate. Acest lucru îi oferă un avantaj față de mașinile tradiționale și oferă o abordare inovatoare pentru proiectarea mașinilor în funcție de nevoile utilizatorului final.

Pasul 5: Lista pieselor

Piese tipărite 3D: Fișierele vor fi încărcate pe Github și pe thingiverse și actualizate cât mai curând posibil.

• 1 x șurub ax
• 1 x piulița rotorului
• 1 x piuliță de capac
• 1 x capac principal
• 4 x corpul rotorului
• 1 x rotor cu unghi fix
• 4 x Balast superior / inferior
• 2 x balast lateral

Electronică: (Link-uri către produse în curând)

Arduino Nano (8-10 dolari)

Firele conectorului (<0,2 USD)

Controler electronic de viteză (8-10 dolari)

Motor DC fără perii 12V (15-25 dolari)

Potențiometru (0,1 USD)

Baterie reîncărcabilă Li-po (15-25 USD)

Pasul 6: Imprimarea pieselor:

Toate piesele sunt disponibile de la github aici: De asemenea, disponibile de la thingiverse aici:

Piese imprimate 3D: 1 x șurub ax

1 x piulița rotorului

1 x piuliță de capac

1 x capac principal

4 x corpul rotorului

1 x rotor cu unghi fix

4 x Balast superior / inferior

2 x balast lateral

Setările generale de schiță de la Cura sau similare în software-ul de tăiere selectat sunt un ghid bun pentru imprimarea tuturor corpurilor și a pieselor de balast.

Pasul 7: Asamblare: Primul pas

• Pregătiți următoarele piese pentru asamblare așa cum se arată:

  • Baza centrifugă
  • Carcasa componentelor
  • 4 x corpul rotorului
• Toate piesele trebuie să se potrivească perfect și să fie fixate cu adezivi corespunzători

Pasul 8: Asamblare: Componente electronice

Pregătiți următoarele componente electronice pentru testare:

• Motor DC și ECS
• Baterie
• Arduino Nano
• Pană de pâine
• Potențiometru
• Sârme de jumper

Codificarea și instrucțiunile pentru arduino pot fi găsite aici:

Articol de

Motorul de testare funcționează lin și răspunde la potențiometru. Dacă este, instalați electronica în carcasă și testați funcționarea motorului fără probleme și cu vibrații reduse.

Imaginile cu plasarea exactă vor fi adăugate în curând.

Pasul 9: Asamblare: atașarea rotorului și a șurubului rotativ

Adunați rotorul, rolele, filatoarele și piulițele rotative.

Asigurați-vă că toate piesele se potrivesc bine. Șlefuirea poate ajuta în cazul în care se potrivește prea bine.

Asigurați-vă că rotorul are o cale netedă și nu trece sau se mișcă excesiv. Un vas plat poate fi tipărit sau tăiat din acril, pentru a ajuta la stabilitate, dacă este necesar.

Odată ce piesele au suferit șlefuire și montare, atașați șurubul rotativ la axul motorului și fixați rotorul cu piulițele, așa cum se arată.

Rotorul poate fi îndepărtat pentru descărcarea și încărcarea probelor sau pentru schimbarea tipurilor de rotor.

Pasul 10: Asamblare: balast și capace

Adunați recipientele de balast superioare și laterale, acestea vor acționa ca suport, cântărire și amortizare a vibrațiilor.

Piesele ar trebui să fie așezate împreună și să rămână la locul lor atunci când sunt umplute. Dacă este necesar, piesele pot fi fixate împreună cu adeziv super sau adeziv similar.

Capacul principal peste rotor trebuie să se potrivească în siguranță atunci când este fixat cu piulița rotorului superior.

Piesele trebuie să se potrivească așa cum se arată în imagine.

Pasul 11: Concluzie

Lucrătorii din domeniul sănătății la distanță se confruntă cu provocarea barierelor economice și logistice asociate cu obținerea și întreținerea dispozitivelor și pieselor medicale și diagnostice vitale. Lipsa accesului la echipamentele de bază, cum ar fi centrifugele și sistemele de pompare, poate duce la timpi de așteptare fatali și la diagnosticarea eronată.

Acest design a îndeplinit rezultatul dorit, arătând că este fezabil să se creeze un dispozitiv medical cu sursă deschisă (o microcentrifugă), utilizând tehnici de fabricație desktop și componente electronice de bază. Poate fi produs la o zecime din costul mașinilor disponibile în comerț și ușor de reparat sau dezasamblat pentru ca piesele să fie utilizate în alte dispozitive, reducând barierele economice. Componentele electronice asigură o putere constantă și fiabilă pentru timpul necesar procesării celor mai frecvente probe de sânge, oferind diagnostice mai bune decât unitățile alimentate manual sau cu priză, în zonele cu infrastructură redusă. Fezabilitatea acestui design are potențialul viitor în dezvoltarea unei platforme modulare open-source de dispozitive medicale, folosind un set de componente de bază pentru a acționa diverse echipamente, cum ar fi pompele peristaltice, sau ca în acest design, microcentrifugele. Odată cu înființarea unei biblioteci de fișiere open source, accesul la o singură imprimantă FDM ar putea fi utilizat pentru a produce o serie de piese, cu puține cunoștințe în materie de proiectare cerute de utilizatorul final. Acest lucru ar elimina problemele logistice asociate cu transportul componentelor de bază, economisind timp și vieți.