Bioprinter ieftin: 13 pași (cu imagini)

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

Suntem o echipă de cercetători condusă de studenți la UC Davis. Facem parte din grupul BioInnovation, care operează în laboratorul TEAM Molecular Prototyping și BioInnovation (consilierii Dr. Marc Facciotti și Andrew Yao, MS). Laboratorul reunește studenți din medii diverse pentru a lucra la acest proiect (inginerie mecanică / chimică / biomedică).

Un pic de fundal al acestui proiect este că am început să tipărim celule de orez transgenice în colab cu dr. Karen McDonald de la departamentul ChemE, cu scopul de a dezvolta o bioprinteră ieftină pentru a face bioprintarea mai accesibilă instituțiilor de cercetare. În prezent, bioimprimantele de ultimă generație costă aproximativ 10 000 USD, în timp ce bioimprimantele de ultimă generație costă aproximativ 170 000 USD. În schimb, imprimanta noastră poate fi construită pentru aproximativ 375 USD.

Provizii

Părți:

1. Rampe 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Drivere de motor pas cu pas:
4. Motor pas cu pas suplimentar (opțional)
5. Grindă 2 în X 1 in
6. Hardware de fixare a fasciculului Maker
7. Șuruburi M3 dimensiuni asortate
8. Piulițe M3 x2
9. Tija filetată de 8 mm
10. Piuliță de 8 mm
11. 608 rulment
12. Clemă prindere hârtie
13. Filament
14. Monoprice V2
15. Cravate cu fermoar
16. Piulițe de căldură M3 de 2 mm lățime

Instrumente:

1. Burghie de diferite dimensiuni
2. Foreza
3. Perforator
4. Ferăstrău
5. Fier de lipit + lipit
6. Dispozitiv de sârmă
7. Cleste pentru nas
8. Taste hexagonale de diferite dimensiuni

Consumabile de laborator:

1. Cutii Petri ~ 70mm diametru
2. Seringă de 60 ml cu vârf Luer-lock
3. Seringă de 10 ml cu vârf Luer-lock
4. Fitinguri Luer-Lock
5. Tuburi pentru fitinguri
6. T Conector pentru tuburi
7. Centrifugați
8. Tuburi de centrifugare 60ml
9. Scară
10. Cântărește bărci
11. Autoclavă
12. Pahare
13. Cilindru gradat
14. Soluție 0,1 M CaCl2
15. Agaroză
16. Alginat
17. Metilceluloza
18. Zaharoza

Software:

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

Pasul 1: Selectarea unei imprimante 3D

Am ales imprimanta 3D Monoprice MP Select Mini V2 ca imprimantă 3D de pornire. Această imprimantă a fost selectată din cauza costului redus și a disponibilității ridicate. În plus, un model 3D foarte precis al imprimantei era deja disponibil, ceea ce a făcut proiectarea mai ușoară. Această instrucțiune va fi adaptată pentru această imprimantă specifică, dar un proces similar poate fi utilizat pentru a converti alte imprimante FDM obișnuite și mașini CNC.

Model de înaltă precizie:

Pasul 2: Imprimare 3D

Înainte de dezasamblarea imprimantei Monoprice, trebuie modificate mai multe părți 3D pentru modificarea imprimantei 3D. Există versiuni ale extruderelor pentru pastă, una care necesită epoxid și una care nu. Cel care necesită epoxidic este mai compact, dar mai dificil de asamblat.

Pasul 3: Pregătiți imprimanta pentru modificare

Panoul turnului frontal, capacul inferior și panoul de comandă trebuie îndepărtate. Odată ce fundul a fost îndepărtat, deconectați toate componentele electronice de pe placa de control și scoateți placa de control.

Pasul 4: Montare interschimbabilă

Corpul 1 și corpul 14 necesită fiecare două piulițe de încălzire. Corpul 1 este montat pe cadrul imprimantei de cele două șuruburi M3 ascunse sub centură. Șuruburile pot fi dezvăluite prin îndepărtarea dispozitivului de tensionare a centurii și trăgând centura într-o parte.

Pasul 5: Comutatorul axei Z

Comutatorul axei Z este repoziționat astfel încât orice ac de lungime să poată fi utilizat în timpul secvenței de reglare fără a compensa în software. Comutatorul trebuie montat cu 2 șuruburi M3 pe șasiul imprimantei direct sub capul de imprimare cât mai aproape de patul de imprimare.

Pasul 6: Cablare

Cablarea se face în conformitate cu standardele Ramps 1.4. Pur și simplu urmați schema de cablare. Tăiați și stanjați firele după cum este necesar pentru blocurile de borne. Este posibil ca unele fire să fie extinse.

Pasul 7: Extruder epoxidic

În timp ce acest extruder necesită mai puțin timp pentru a imprima, folosește epoxidic, care crește timpul total de construcție la peste 24 de ore. Tija filetată de 8 mm trebuie epoxidată la rulmentul 608, iar rulmentul trebuie epoxidat la piesa imprimată 3D Corp 21. În plus, piulița pentru tija filetată trebuie epoxidată la corpul 40. Odată ce epoxidul a fost complet întărit, cauciucul sfaturile de la pistonul seringii de 60 ml și 10 ml pot fi montate peste corpul 9 și respectiv corpul 21. Nu s-a găsit un accesoriu T adecvat, așa că unul brut a fost fabricat dintr-un tub de alamă de 6 mm și lipit. Extruderul acționează ca un sistem hidraulic care împinge Bioink în afara camerei inferioare a seringii de 10 ml. Aerul poate fi evacuat din sistem prin agitarea energică a tuburilor în timp ce țineți fitingul T în punctul cel mai înalt.

Pasul 8: Extruder cu pastă obișnuită

Acest extruder poate fi pur și simplu fixat împreună. Dezavantajul acestui extruder este că este mai voluminos și are o reacție puternică.

Pasul 9: Pasul 9: Firmware Arduino

Arduino are nevoie de firmware pentru a rula driverele pas cu pas și alte componente electronice. Am ales Marlin, deoarece este gratuit, ușor de modificat cu Arduino IDE și bine acceptat. Am modificat firmware-ul pentru hardware-ul nostru specific, dar este destul de simplu de modificat pentru alte imprimante, deoarece tot codul este comentat și explicat clar. Faceți dublu clic pe fișierul MonopriceV2BioprinterFirmware.ino pentru a deschide fișierele de configurare marlin.

Pasul 10: Cura Profile

Profilul Cura poate fi importat în Ultimaker Cura 4.0.0 și utilizat pentru realizarea ochiurilor de suprafață mare pentru utilizarea într-un reactor de profuzie. Generația Gcode pentru imprimantă este încă extrem de experimentală și necesită multă răbdare. De asemenea, este atașat un cod de testare pentru un reactor de profuzie circulară.

Pasul 11: Schimbarea codului G de pornire

Lipiți acest cod în setarea de pornire a codului G:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

În Repetier, pentru a modifica Gcode de pornire, accesați slicer-> Configurare-> Coduri G-> porniți codurile G. Este necesar să modificați valoarea G92 Z pentru fiecare caz particular. Măriți încet valoarea până când acul este la distanța dorită de suprafața cutiei Petri la începutul imprimării.

Pasul 12: Realizarea Bioink

Procesul de dezvoltare a unui Bioink potrivit pentru o aplicație este complex. Acesta este procesul pe care l-am urmat:

rezumat

Hidrogelul este potrivit pentru celulele vegetale sensibile la forfecare și are macropori deschisi pentru a permite difuzia. Hidrogelul se face prin dizolvarea agarozei, alginatului, metilcelulozei și zaharozei în apă deionizată și adăugarea de celule. Gelul este vâscos până când este vindecat cu 0,1 M clorură de calciu, ceea ce îl face robust. Soluția de întărire a clorurii de calciu se leagă cu alginatul pentru ao face solidă. Alginatul este baza gelului, metilceluloza omogenizează gelul, iar agaroză oferă mai multă structură, deoarece gelifică la temperatura camerei. Zaharoza oferă hrană pentru ca celulele să crească în continuare în hidrogel.

O scurtă prezentare generală a unora dintre experimentele de verificare a gelului

Am testat diferite hidrogeluri cu cantități variate de agaroză și am înregistrat consistența acesteia, cât de ușor a imprimat și dacă s-a scufundat sau a plutit în soluția de întărire. Scăderea procentului de alginat a făcut ca gelul să fie prea lichid și nu a reușit să-și păstreze forma după imprimare. Creșterea procentului de alginat a făcut ca soluția de întărire să funcționeze atât de repede, încât gelul să se vindece înainte de a se lipi de stratul superior. Un hidrogel care își păstrează forma și nu se vindecă prea repede a fost dezvoltat folosind 2,8% în greutate alginat.

Cum se dezvoltă un hidrogel

Materiale

Agaroză (0,9% în greutate)

Alginat (2,8% în greutate)

Metilceluloză (3,0% în greutate)

Zaharoza (3,0% in greutate)

Clorură de calciu.1M (147.001 g / mol)

ddH20

agregate celulare

2 pahare spălate și uscate

1 Spatula de amestecare

Folie de aluminiu

Hârtie de cântărit din plastic

Cilindru gradat

Procedură

Realizarea hidrogelului:

1. Măsurați o cantitate specifică de ddH20 pe baza cantității de soluție de gel pe care doriți să o preparați. Folosiți cilindrul gradat pentru a obține un volum specific de ddH20.
2. Soluția de hidrogel va conține alginat (2,8% în greutate)), agaroză (0,9% în greutate), zaharoză (3% în greutate) și metilceluloză (3% în greutate). Porțiunile corespunzătoare ale componentelor soluției de hidrogel vor fi măsurate folosind hârtia de cântărit din plastic.
3. Când ați terminat de cântărit toate componentele, adăugați ddh20, zaharoză, agaroză și în cele din urmă alginat de sodiu la unul dintre paharele uscate. Rotiți pentru a amesteca, dar nu utilizați o spatulă pentru a amesteca, deoarece pulberea se va lipi de spatulă.
4. Odată amestecat, înfășurați partea superioară a paharului cu folie de aluminiu și etichetați paharul. Adăugați o bucată de bandă autoclavă în partea superioară a foliei.
5. Puneți metilceluloza rămasă în celălalt pahar uscat și înfășurați-o în folie de aluminiu ca și paharul anterior. Etichetați acest pahar și adăugați o bucată de bandă de autoclavă în partea superioară a foliei.
6. Înfășurați 1 spatulă în folie de aluminiu și asigurați-vă că nu este expusă. Adăugați bandă de autoclavă la spatula înfășurată.
7. Autoclavează cele 2 pahare și 1 spatulă la 121 C timp de 20 de minute în timpul ciclului de sterilizare. NU UTILIZAȚI AUTOCLAVUL ÎNTR-UN CICL STERIL ȘI SECAT.
8. Odată ce ciclul de autoclavă este complet, lăsați gelul să se răcească la temperatura camerei și odată ce a atins-o, începeți să funcționați în Cabinetul de siguranță biologică.
9. Asigurați-vă că vă spălați mâinile și brațele și utilizați o tehnică aseptică adecvată odată ce ați lucrat în dulapul pentru biosecuritate. De asemenea, asigurați-vă că nu intră în contact direct cu obiecte care vor atinge gelul sau vor fi aproape de gel (de exemplu: capătul de amestecare al spatulei sau regiunea foliilor de aluminiu care se află peste gel)
10. În dulapul pentru biosecuritate amestecați metilceluloza în gel pentru a obține o răspândire omogenă. După ce ați terminat amestecarea, înfășurați partea superioară a soluției mixte de gel și puneți-o la frigider peste noapte.
11. De aici gelul poate fi folosit pentru introducerea celulelor sau pentru alte utilizări precum tipărirea.

Adăugarea celulelor:

1. Filtrează celulele astfel încât să aibă aceeași dimensiune. Procedura noastră de filtrare este

   Răsturnați ușor celulele de pe placa Petri și folosiți o sită de 380 micrometri pentru a filtra celulele.

2. Amestecați ușor celulele filtrate în soluția de hidrogel folosind o spatulă cu cap plat pentru a evita pierderea amestecului (care a fost autoclavizat).
3. După amestecarea celulelor, centrifugați bulele
4. De aici hidrogelul este complet și poate fi folosit pentru tipărire, întărire și experimente viitoare.

Cum se dezvoltă soluția de întărire (0,1 M clorură de calciu, CaCl2)

Materiale

Clorura de calciu

ddH20

Zaharoza (3% in greutate)

Procedură (pentru a face soluție de întărire de 1L)

1. Măsurați 147,01 g clorură de calciu, 30 ml zaharoză și 1 l ddH20.
2. Se amestecă clorură de calciu, zaharoză și ddH20 într-un pahar sau recipient mare.
3. Scufundați gelul în soluția de întărire timp de cel puțin 10 minute pentru a se vindeca.

Pasul 13: Imprimați

În teorie, Bioprintarea este extrem de simplă; cu toate acestea, în practică, există mulți factori care pot provoca eșecuri. Cu acest gel, am constatat că se pot face mai multe lucruri pentru a maximiza succesul aplicației noastre:

1. Utilizați cantități mici de soluție de CaCl2 pentru a vindeca parțial gelul în timpul imprimării,
2. Folosiți un prosop de hârtie în partea de jos a vasului Petri pentru a crește aderența
3. Folosiți un prosop de hârtie pentru a răspândi în mod uniform cantități mici de CaCl2 pe toată imprimarea
4. utilizați glisorul debitului în Repetier pentru a găsi debitul corect

Pentru diferite aplicații și diferite geluri, pot fi necesare tehnici diferite. Procedura noastră a fost generată pe parcursul mai multor luni. Răbdarea este cheia.

Noroc dacă încercați acest proiect și nu ezitați să puneți întrebări.

Premiul I la Concursul Arduino 2019