Bioprinter Kos Rendah: 13 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Kami adalah pasukan penyelidikan yang diketuai oleh pelajar di UC Davis. Kami adalah sebahagian daripada BioInnovation Group, yang beroperasi di TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (Penasihat Dr. Marc Facciotti, dan Andrew Yao, M. S.). Makmal ini menghimpunkan pelajar dari pelbagai latar belakang untuk mengerjakan projek ini (kejuruteraan mek / kimia / bioperubatan).

Sebilangan latar belakang projek ini ialah kami mula mencetak sel beras transgenik secara kolaborasi dengan Dr. Karen McDonald dari jabatan ChemE dengan tujuan untuk mengembangkan bioprinter murah untuk menjadikan pencetakan bio lebih mudah diakses oleh institusi penyelidikan. Pada masa ini, pencetak bio mewah berharga lebih kurang $ 10, 000 sementara pencetak bio mewah berharga lebih kurang $ 170, 000. Sebaliknya, pencetak kami boleh dibina dengan harga lebih kurang $ 375.

Bekalan

Bahagian:

1. Jalan 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Pemacu motor stepper:
4. Motor stepper tambahan (pilihan)
5. Rasuk pembuat 2 dalam X 1 in
6. Perkakasan lampiran rasuk pembuat
7. Skru M3 pelbagai saiz
8. Kacang M3 x2
9. Batang berulir 8 mm
10. Kacang 8 mm
11. 608 galas
12. Klip pengikat
13. Filamen
14. Monoprice V2
15. Ikatan zip
16. M3 set kacang panas 2mm lebar

Alat:

1. Latih tubi pelbagai saiz
2. Gerudi Tangan
3. Mesin gerudi
4. Hacksaw
5. Pateri besi + pateri
6. Pelucut wayar
7. Playar mata jarum
8. Kekunci hex pelbagai saiz

Bekalan makmal:

1. Piring petri ~ diameter 70mm
2. 60 ml jarum suntik dengan hujung Luer-lock
3. Picagari 10 ml dengan hujung Luer-lock
4. Kelengkapan kunci Luer
5. Tiub untuk kelengkapan
6. Penyambung T untuk tiub
7. Sentrifuge
8. Tabung empar 60ml
9. Skala
10. Timbang kapal
11. Autoklaf
12. Bikar
13. Silinder penyukat
14. Penyelesaian 0.1M CaCl2
15. Agarose
16. Alginat
17. Methylcellulose
18. Sukrosa

Perisian:

1. Fusion 360 atau Solidworks
2. Arduino IDE
3. Hos Repetier
4. Ultimaker Cura 4

Langkah 1: Memilih Pencetak 3D

Kami memilih Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 sebagai pencetak 3D permulaan. Pencetak ini dipilih kerana kosnya rendah dan ketersediaannya tinggi. Selain itu, model pencetak 3D yang sangat tepat sudah tersedia yang menjadikan reka bentuk lebih mudah. Instruksional ini akan disesuaikan untuk pencetak khusus ini tetapi proses serupa dapat digunakan untuk menukar pencetak FDM biasa dan mesin CNC.

Model ketepatan tinggi:

Langkah 2: Percetakan 3D

Sebelum membongkar pencetak Monoprice, beberapa bahagian perlu dicetak 3D untuk pengubahsuaian pencetak 3D. Terdapat versi extruder pes, yang memerlukan epoksi dan yang tidak. Yang memerlukan epoksi lebih padat tetapi lebih sukar dipasang.

Langkah 3: Sediakan Pencetak untuk Pengubahsuaian

Panel menara depan, penutup bawah dan panel kawalan harus dilepaskan. Setelah bahagian bawah dilepaskan, cabut semua elektronik dari papan kawalan dan lepaskan papan kawalan.

Langkah 4: Gunung yang boleh ditukar ganti

Badan 1 dan Badan 14 masing-masing memerlukan dua kacang set panas. Badan 1 dipasang ke bingkai pencetak oleh dua baut M3 yang tersembunyi di bawah tali pinggang. Selak boleh diturunkan dengan melepaskan tali pengikat tali pinggang dan menarik tali pinggang ke satu sisi.

Langkah 5: Suis Z Paksi

Suis paksi-Z diposisikan semula sehingga jarum panjang boleh digunakan semasa urutan homing tanpa memberi pampasan dalam perisian. Suis harus dipasang dengan skru 2 M3 ke casis pencetak tepat di bawah kepala cetak sedekat mungkin dengan tempat tidur cetak.

Langkah 6: Pendawaian

Pendawaian dilakukan mengikut standard Ramps 1.4. Ikuti gambarajah pendawaian. Potong wayar dan timah seperti yang diperlukan untuk blok terminal. Sebilangan wayar mungkin perlu dilanjutkan.

Langkah 7: Epoxy Extruder

Walaupun extruder ini memerlukan lebih sedikit masa untuk mencetak, ia menggunakan epoksi yang meningkatkan jumlah masa binaan sehingga lebih dari 24 jam. Batang berulir 8 mm hendaklah dipakaikan pada galas 608 dan galas hendaklah dilekatkan pada bahagian bercetak 3D Badan 21. Selain itu, kacang untuk batang berulir hendaklah dilekatkan pada Badan 40. Setelah epoksi disembuhkan sepenuhnya, getah petua dari pelocok picagari 60 ml dan 10 ml boleh dipasang di atas Body 9 dan Body 21, masing-masing. Pemasangan T yang sesuai tidak dapat dijumpai sehingga yang kasar dibuat dari tiub tembaga 6mm dan pateri. Extruder bertindak sebagai sistem hidraulik yang mendorong Bioink keluar dari ruang bawah jarum suntik 10 ml. Udara dapat dikeluarkan dari sistem dengan menggegarkan tabung dengan kuat sambil menahan pemasangan T pada titik tertinggi.

Langkah 8: Extruder Paste Biasa

Extruder ini hanya boleh disatukan. Kelemahan untuk extruder ini adalah bahawa ia lebih besar dan mempunyai reaksi yang tinggi.

Langkah 9: Langkah 9: Arduino Firmware

Arduino memerlukan firmware untuk menjalankan pemacu stepper dan elektronik lain. Kami memilih Marlin kerana percuma, mudah diubahsuai dengan Arduino IDE dan disokong dengan baik. Kami telah mengubahsuai firmware untuk perkakasan khusus kami tetapi agak mudah untuk mengubah suai untuk pencetak lain kerana semua kodnya dikomentari dan dijelaskan dengan jelas. Klik dua kali fail MonopriceV2BioprinterFirmware.ino untuk membuka fail konfigurasi marlin.

Langkah 10: Profil Cura

Profil Cura dapat diimport ke Ultimaker Cura 4.0.0 dan digunakan untuk membuat mesh permukaan yang tinggi untuk digunakan dalam reaktor profusion. Penjanaan Gcode untuk pencetak masih sangat eksperimen dan memerlukan banyak kesabaran. Dilampirkan juga kod ujian untuk reaktor profusi bulat.

Langkah 11: Menukar kod G Mula

Tampal kod ini ke tetapan kod G mula:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Di Repetier, untuk mengubah Gcode permulaan pergi ke slicer-> Configuration-> G-code-> start G-codes. Anda perlu mengubah nilai G92 Z untuk setiap kes tertentu. Naikkan nilai secara perlahan sehingga jarum berada pada jarak yang dikehendaki dari permukaan piring Petri pada awal cetakan.

Langkah 12: Membuat Bioink

Proses untuk mengembangkan Bioink yang sesuai untuk aplikasi adalah rumit. Ini adalah proses yang kami ikuti:

Ringkasan

Hidrogel sesuai untuk sel tumbuhan yang sensitif pada ricih dan mempunyai makropori terbuka untuk membolehkan penyebaran. Hidrogel dibuat dengan melarutkan agarosa, alginat, metilselulosa, dan sukrosa dalam air deionisasi dan menambahkan sel. Gel ini likat hingga disembuhkan dengan kalsium klorida 0.1M, yang menjadikannya kuat. Penyelesaian penyembuhan kalsium klorida bersilang dengan alginat untuk menjadikannya kukuh. Alginat adalah asas gel, metilselulosa menghomogenkan gel, dan agarosa memberikan lebih banyak struktur kerana gel pada suhu bilik. Sukrosa menyediakan makanan bagi sel untuk terus tumbuh di hidrogel.

Gambaran ringkas beberapa eksperimen untuk mengesahkan gel

Kami menguji hidrogel yang berlainan dengan jumlah agarosa yang berbeza-beza dan mencatat konsistensinya, seberapa mudah ia dicetak, dan sama ada ia tenggelam atau terapung dalam larutan penyembuhan. Penurunan peratusan alginat menjadikan gel terlalu cair dan ia tidak dapat mengekalkan bentuknya setelah dicetak. Meningkatkan peratusan alginat menjadikan larutan pengawetan berfungsi dengan cepat, sehingga gel akan sembuh sebelum melekat pada lapisan atas. Hidrogel yang tahan bentuknya dan tidak sembuh terlalu cepat dikembangkan menggunakan 2.8% berat alginat.

Cara mengembangkan hidrogel

Bahan

Agarose (0.9% berat)

Alginat (2.8% berat)

Metilselulosa (3.0% berat)

Sukrosa (3.0% berat)

Kalsium Klorida.1M (147.001 g / mol)

ddH20

agregat sel

2 Bikar Cuci & Kering

1 Mencampurkan Spatula

Kertas aluminium

Kertas Timbang Plastik

Silinder penyukat

Prosedur

Membuat Hydrogel:

1. Kira jumlah tertentu ddH20 berdasarkan berapa banyak larutan gel yang ingin anda sediakan. Gunakan silinder lulus untuk mendapatkan isipadu ddH20 tertentu.
2. Larutan hidrogel akan mengandungi Alginat (2,8% berat)), Agarosa (0,9% berat), sukrosa (3% berat), dan metilselulosa (3% berat). Sebahagian komponen larutan hidrogel yang betul akan diukur dengan menggunakan kertas timbang plastik.
3. Setelah selesai menimbang semua komponen, tambahkan ddh20, sukrosa, agarosa, dan terakhir natrium alginat ke salah satu bikar kering. Pusing hingga sebati tetapi jangan gunakan spatula untuk mencampurkan kerana serbuk akan melekat pada spatula.
4. Setelah sebati, bungkus bahagian atas bikar dengan kerajang aluminium dengan betul dan labelkan bikar. Tambahkan sekeping pita autoklaf ke bahagian atas kerajang.
5. Masukkan baki metilselulosa ke dalam bikar kering yang lain dan bungkusnya dalam aluminium foil seperti bikar sebelumnya. Labelkan bikar ini dan tambahkan sekeping pita autoklaf ke bahagian atas kerajang.
6. Balut 1 spatula dalam aluminium foil dan pastikan tidak ada yang terkena. Tambahkan pita autoklaf ke spatula yang dibalut.
7. Autoklaf 2 bikar dan 1 spatula pada suhu 121 C selama 20 minit semasa kitaran sterilkan. JANGAN GUNAKAN AUTOCLAVE DALAM CYCLE YANG SANGAT & KERING.
8. Setelah kitaran autoklaf selesai, biarkan gel menyejuk hingga suhu bilik dan setelah ia mencapainya, mulakan operasi di Kabinet Keselamatan Biologi.
9. Pastikan untuk mencuci tangan dan lengan dan menggunakan teknik aseptik yang betul sebaik sahaja beroperasi di kabinet biosafety. Pastikan juga untuk tidak bersentuhan langsung dengan objek yang akan menyentuh gel atau dekat dengan gel (mis: hujung pencampuran spatula, atau kawasan aluminium foil yang duduk di atas gel)
10. Dalam kabinet biosafety campurkan metilselulosa ke dalam gel untuk penyebaran homogen. Setelah selesai mencampurkan, balut semula larutan gel campuran dan letakkan di dalam peti sejuk semalaman.
11. Dari sini gel boleh digunakan untuk pengenalan sel atau untuk kegunaan lain seperti mencetak.

Menambah Sel:

1. Tapis sel sehingga ukurannya sama. Prosedur kami untuk menyaring adalah

   Gosok sel-sel dengan ringan dari piring petri dan gunakan ayak 380 mikrometer untuk menapis sel.

2. Campurkan perlahan-lahan sel yang ditapis dalam larutan hidrogel dengan menggunakan spatula kepala rata untuk mengelakkan kehilangan campuran (yang telah ditutup autoklaf).
3. Selepas mencampurkan sel, sentrifugasi keluar buih
4. Dari sini hidrogel lengkap dan boleh digunakan untuk percetakan, penyembuhan, dan percubaan masa depan.

Cara mengembangkan larutan penyembuhan (0.1M Kalsium klorida, CaCl2)

Bahan

Kalsium klorida

ddH20

Sukrosa (3% berat)

Prosedur (untuk membuat penyelesaian penyembuhan 1L)

1. Ukur 147.01g kalsium klorida, 30mL sukrosa, dan 1L ddH20.
2. Campurkan kalsium klorida, sukrosa, dan ddH20 dalam bikar besar atau bekas.
3. Rendam gel dalam larutan penyembuhan sekurang-kurangnya 10 minit hingga sembuh.

Langkah 13: Cetak

Secara teori, Pencetakan Bio sangat mudah; namun, dalam praktiknya, terdapat banyak faktor yang boleh menyebabkan kegagalan. Dengan gel ini, kami dapati beberapa perkara dapat dilakukan untuk memaksimumkan kejayaan dalam aplikasi kami:

1. Gunakan sebilangan kecil larutan CaCl2 untuk menyembuhkan gel secara separa semasa mencetak,
2. Gunakan tuala kertas di bahagian bawah piring petri untuk meningkatkan lekatan
3. Gunakan tuala kertas untuk menyebarkan sejumlah kecil CaCl2 ke seluruh cetakan
4. gunakan gelangsar laju aliran di Repetier untuk mencari kadar alir yang betul

Untuk aplikasi yang berbeza dan gel yang berbeza, teknik yang berbeza mungkin perlu digunakan. Prosedur kami dihasilkan selama beberapa bulan. Kesabaran adalah kunci.

Semoga berjaya jika anda mencuba projek ini dan jangan ragu untuk mengemukakan sebarang pertanyaan.

Hadiah Pertama dalam Peraduan Arduino 2019