Poceni Bioprinter: 13 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Smo raziskovalna skupina pod vodstvom študentov na UC Davis. Smo del skupine BioInnovation Group, ki deluje v laboratoriju TEAM za molekularno prototipiranje in bioinnovacije (svetovalca dr. Marc Facciotti in mag. Andrew Yao). Laboratorij združuje študente z različnimi izobrazbami pri delu na tem projektu (mehanika/kemikalija/biomedicina).

Nekaj ozadja pri tem projektu je, da smo začeli tiskati transgene riževe celice v sodelovanju z dr. Karen McDonald z oddelka ChemE, da bi razvili poceni bioprinter, da bi biotisk postal bolj dostopen raziskovalnim ustanovam. Trenutno poceni bioprinterski tiskalniki stanejo približno 10 000 USD, vrhunski bioprinterski pa približno 170 000 USD. Nasprotno pa je naš tiskalnik mogoče izdelati za približno 375 USD.

Zaloge

Deli:

1. Rampe 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Gonilniki koračnih motorjev:
4. Dodatni koračni motor (neobvezno)
5. Nastavitveni žarek 2 v X 1 in
6. Strojna oprema za pritrditev nosilca
7. Vijaki M3 različnih velikosti
8. Matice M3 x2
9. 8 mm navojna palica
10. Matica 8 mm
11. Ležaj 608
12. Vezivna sponka
13. Filament
14. Monoprice V2
15. Zip vezi
16. M3 nastavljive vijačne matice širine 2 mm

Orodja:

1. Vrtalniki različnih velikosti
2. Ročni vrtalnik
3. Vrtalna stiskalnica
4. Ročna žaga
5. Spajkalnik + spajkanje
6. Odstranjevalec žice
7. Klešče za nos
8. Šesterokotni ključi različnih velikosti

Laboratorijske potrebščine:

1. Petrijeve posode s premerom 70 mm
2. 60 ml brizga s konico Luer-lock
3. 10 ml brizga s konico Luer-lock
4. Okovje Luer-lock
5. Cevi za armature
6. T Priključek za cevi
7. Centrifuga
8. Tube za centrifugiranje 60 ml
9. Lestvica
10. Tehtajte čolne
11. Avtoklav
12. Čaše
13. Maturanski klobuk
14. 0,1 M raztopina CaCl2
15. Agaroza
16. Alginat
17. Metilceluloza
18. Saharoza

Programska oprema:

1. Fusion 360 ali Solidworks
2. Arduino IDE
3. Ponavljajoči gostitelj
4. Ultimaker Cura 4

1. korak: Izbira 3D tiskalnika

Za začetni 3D tiskalnik smo izbrali Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2. Ta tiskalnik je bil izbran zaradi nizke cene in visoke razpoložljivosti. Poleg tega je bil na voljo zelo natančen 3D model tiskalnika, ki je olajšal oblikovanje. Ta navodila bodo prilagojena temu tiskalniku, vendar se lahko podoben postopek uporabi za pretvorbo drugih običajnih tiskalnikov FDM in CNC strojev.

Model visoke natančnosti:

2. korak: 3D tiskanje

Preden razstavite tiskalnik Monoprice, morate za spremembo 3D tiskalnika natisniti več delov. Obstajajo različice ekstruderjev za pasto, ena, ki potrebuje epoksid, druga pa ne. Tisti, ki potrebuje epoksid, je bolj kompakten, vendar ga je težje sestaviti.

3. korak: Pripravite tiskalnik za spreminjanje

Odstranite sprednji stolp, spodnji pokrov in nadzorno ploščo. Ko odstranite dno, izključite vso elektroniko iz nadzorne plošče in odstranite nadzorno ploščo.

4. korak: Zamenljiv nosilec

Telo 1 in ohišje 14 zahtevata po dve matici za nastavitev toplote. Telo 1 je pritrjeno na okvir tiskalnika z dvema vijakoma M3, skritimi pod pasom. Vijake lahko odkrijete tako, da odstranite napenjalnik pasu in povlečete jermen na eno stran.

5. korak: Stikalo osi Z

Stikalo osi Z je nameščeno tako, da je mogoče med zaporedjem samonaravnavanja uporabiti iglo katere koli dolžine brez kompenzacije v programski opremi. Stikalo je treba pritrditi z 2 vijakoma M3 na ohišje tiskalnika neposredno pod tiskalno glavo čim bližje tiskalni plasti.

6. korak: Ožičenje

Ožičenje je izvedeno v skladu s standardi Ramps 1.4. Preprosto sledite shemi ožičenja. Za priključne bloke odrežite in pokosite žice. Nekatere žice bo morda treba podaljšati.

Korak 7: Epoksidni ekstruder

Medtem ko ta ekstruder potrebuje manj časa za tiskanje, uporablja epoksid, ki skupni čas izdelave poveča na več kot 24 ur. 8 -milimetrsko navojno palico je treba epoksirati z ležajem 608, ležaj pa epoksi z natisnjenim 3D kosom ohišja 21. Poleg tega je treba matico z navojno palico epoksirati na ohišje 40. Ko je epoksid popolnoma strjen, je treba gumo konice iz 60 ml in 10 ml batov brizg lahko namestite na telo 9 oziroma telo 21. Ustrezne T armature ni bilo mogoče najti, zato je bila surova narejena iz 6 mm medeninastih cevi in spajkanja. Ekstruder deluje kot hidravlični sistem, ki potisne Bioink iz spodnje komore 10 -ml brizge. Zrak lahko odstranite iz sistema z močnim stresanjem cevi, pri tem pa držite T -okov na najvišji točki.

8. korak: Navaden ekstruder za paste

Ta ekstruder lahko preprosto pritrdite skupaj. Slaba stran tega ekstruderja je, da je obsežnejši in ima velik odziv.

9. korak: 9. korak: vdelana programska oprema Arduino

Arduino potrebuje vdelano programsko opremo za zagon koračnih gonilnikov in druge elektronike. Izbrali smo Marlin, saj je brezplačen, ga je mogoče enostavno spremeniti z Arduino IDE in dobro podpirati. Vdelano programsko opremo smo spremenili za svojo posebno strojno opremo, vendar jo je za druge tiskalnike precej preprosto spremeniti, ker je vsa koda komentirana in jasno razložena. Dvokliknite datoteko MonopriceV2BioprinterFirmware.ino, da odprete konfiguracijske datoteke marlin.

10. korak: Cura profil

Profil Cura lahko uvozimo v Ultimaker Cura 4.0.0 in uporabimo za izdelavo očes z velikimi površinami za uporabo v reaktorju za obilno polnjenje. Generacija Gcode za tiskalnik je še vedno zelo eksperimentalna in zahteva veliko potrpljenja. Priložen je tudi preskusni kod za krožni reaktor.

11. korak: Spremenite začetno kodo G

To kodo prilepite v začetno nastavitev kode G:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

V Repetierju za spremembo začetne Gcode pojdite na slicer-> Configuration-> G-code-> start G-codes. Za vsak posamezen primer je treba spremeniti vrednost G92 Z. Počasi povečujte vrednost, dokler igla ni na želeni razdalji od površine Petrijeve posode na začetku tiskanja.

12. korak: Ustvarjanje bioinorga

Postopek razvoja Bioinka, primernega za uporabo, je kompleksen. To je postopek, ki smo mu sledili:

Povzetek

Hidrogel je primeren za rastlinske celice, občutljive na striženje, in ima odprte makropore, ki omogočajo difuzijo. Hidrogel nastane z raztapljanjem agaroze, alginata, metilceluloze in saharoze v deionizirani vodi in dodajanjem celic. Gel je viskozen, dokler se ne strdi z 0,1M kalcijevim kloridom, zaradi česar je čvrst. Raztopina za utrjevanje kalcijevega klorida se poveže z alginatom, da postane trdna. Alginat je osnova gela, metilceluloza homogenizira gel, agaroza pa zagotavlja večjo strukturo, saj se gelira pri sobni temperaturi. Saharoza zagotavlja hrano za rast celic v hidrogelu.

Kratek pregled nekaterih poskusov za preverjanje gela

Testirali smo različne hidrogele z različnimi količinami agaroze in zabeležili njegovo konsistenco, kako enostavno je tiskal in ali je potonil ali plaval v raztopini za utrjevanje. Z zmanjšanjem odstotka alginata je bil gel preveč tekoč in po tiskanju ni mogel ohraniti oblike. Povečanje odstotka alginata je povzročilo, da je raztopina za utrjevanje delovala tako hitro, da se je gel strjeval, preden se je lepil na zgornjo plast. Hidrogel, ki ohranja obliko in se ne strdi prehitro, je bil razvit z uporabo 2,8 mas.% Alginata.

Kako razviti hidrogel

Materiali

Agaroza (0,9 mas. %)

Alginat (2,8 mas. %)

Metilceluloza (3,0 mas.%)

Saharoza (3,0 mas.%)

Kalcijev klorid, 1M (147,001 g/mol)

ddH20

celični agregati

2 oprani in posušeni čaši

1 Mešalna lopatica

Aluminijasta folija

Plastični papir za tehtanje

Maturanski klobuk

Postopek

Izdelava hidrogela:

1. Izmerite določeno količino ddH20 glede na to, koliko raztopine gela želite pripraviti. Z merilnim cilindrom dobite določeno prostornino ddH20.
2. Raztopina hidrogela bo vsebovala alginat (2,8 mas. %), Agarozo (0,9 mas. %), Saharozo (3 mas. %) In metilcelulozo (3 mas. %). Ustrezne dele sestavin hidrogelne raztopine bomo izmerili s plastičnim papirjem za tehtanje.
3. Ko končate s tehtanjem vseh sestavin, v eno od suhih čaš dodajte ddh20, saharozo, agarozo in nazadnje natrijev alginat. Vrtite za mešanje, vendar ne uporabljajte lopatice za mešanje, ker se bo prašek prijel za lopatico.
4. Ko zmešamo, zgornji del čaše ustrezno zavijemo z aluminijasto folijo in čašo označimo z etiketo. Na vrh folije dodajte kos traku za avtoklav.
5. Preostalo metilcelulozo dajte v drugo suho čašo in jo zavijte v aluminijasto folijo kot prejšnjo čašo. Označite to čašo in na vrh folije dodajte kos traku za avtoklav.
6. Zavijte 1 lopatico v aluminijasto folijo in se prepričajte, da ni izpostavljena. Na zavito lopatico dodajte trak za avtoklav.
7. 2 steklenici in 1 lopatico v avtoklavu 20 minut med sterilizacijskim ciklom. AUTOKLAVA NE UPORABLJAJTE V STERILNEM & SUHEM CIKLUSU.
8. Ko je cikel avtoklava končan, pustite, da se gel ohladi na sobno temperaturo in ko ga doseže, začnite delovati v omari za biološko varnost.
9. Ko delate v omari za biološko varnost, si umijte roke in roke ter uporabite ustrezno aseptično tehniko. Pazite tudi, da ne pridete v neposreden stik s predmeti, ki se dotikajo gela ali so blizu gela (npr.: mešalni konec lopatice ali območje aluminijastih folij, ki sedi nad gelom)
10. V omari za biološko varnost vmešajte metilcelulozo v gel, da dobite homogeno razpršitev. Ko končate z mešanjem, mešanico gela ponovno zavijte na vrh in postavite čez noč v hladilnik.
11. Od tod se gel lahko uporablja za vnos celic ali za druge namene, kot je tiskanje.

Dodajanje celic:

1. Celice filtrirajte tako, da so enake velikosti. Naš postopek filtriranja je

   Celice rahlo postrgamo s petrijevke in uporabimo sito s premerom 380 mikrometrov za filtriranje celic.

2. Filtrirane celice nežno vmešajte v raztopino hidrogela z lopatico z ravno glavo, da se izognete izgubi mešanice (ki je bila avtoklavirana).
3. Po mešanju celice centrifugirajo iz mehurčkov
4. Od tod je hidrogel popoln in ga lahko uporabimo za tiskanje, utrjevanje in prihodnje poskuse.

Kako razviti raztopino za utrjevanje (0,1 M kalcijev klorid, CaCl2)

Materiali

Kalcijev klorid

ddH20

Saharoza (3 mas. %)

Postopek (za pripravo 1L raztopine za utrjevanje)

1. Izmerite 147,01 g kalcijevega klorida, 30 ml saharoze in 1 L ddH20.
2. V veliki čaši ali posodi zmešajte kalcijev klorid, saharozo in ddH20.
3. Gel potopite v raztopino za utrjevanje vsaj 10 minut, da se strdi.

13. korak: Natisnite

Teoretično je biotisk izjemno preprost; v praksi pa obstaja veliko dejavnikov, ki lahko povzročijo napake. S tem gelom smo ugotovili, da je za doseganje največjega uspeha v naši uporabi mogoče narediti nekaj stvari:

1. Za delno strjevanje gela med tiskanjem uporabite majhne količine raztopine CaCl2,
2. Za povečanje oprijema uporabite papirnato brisačo na dnu petrijevke
3. S papirnato brisačo enakomerno razporedite majhne količine CaCl2 po celotnem tisku
4. uporabite drsnik pretoka v Repetierju, da poiščete pravilen pretok

Za različne aplikacije in različne gele bo morda treba uporabiti različne tehnike. Naš postopek je trajal več mesecev. Potrpežljivost je ključna.

Vso srečo, če poskusite s tem projektom in vas prosimo, da postavite kakršna koli vprašanja.

Prva nagrada na tekmovanju Arduino 2019