Olcsó bioprinter: 13 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Alkalmazott kutatócsoport vagyunk az UC Davis-nél. Részei vagyunk a BioInnovation Group -nak, amely a TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab -ban működik (tanácsadók Dr. Marc Facciotti és Andrew Yao, M. S.). A laboratórium különböző háttérrel rendelkező diákokat tömörít, hogy dolgozzanak ezen a projekten (mech/vegyi/biomedikai mérnöki munka).

Ennek a projektnek egy kis előzménye, hogy elkezdtük a transzgenikus rizssejtek nyomtatását együttműködésben Dr. Karen McDonalddal, a ChemE részlegétől azzal a céllal, hogy kifejlesszünk egy olcsó bioprintert, amely hozzáférhetőbbé teszi a bioprintetést a kutatóintézetek számára. Jelenleg az alacsony kategóriájú bioprinterek körülbelül 10 000 dollárba kerülnek, míg a csúcskategóriás bioprinterek körülbelül 170 000 dollárba. Ezzel szemben a nyomtatónk hozzávetőleg 375 dollárért gyártható.

Kellékek

Alkatrészek:

1. Rámpák 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Léptetőmotor-illesztőprogramok:
4. További léptetőmotor (opcionális)
5. Készítő nyaláb 2 in X 1 in
6. Készítő gerenda rögzítő hardvere
7. Különböző méretű M3 csavarok
8. M3 dió x2
9. 8 mm -es menetes rúd
10. 8 mm -es anya
11. 608 csapágy
12. Kötőanyag klip
13. Szál
14. Monoprice V2
15. Zip kötések
16. M3 fűtőanyák 2 mm szélességben

Eszközök:

1. Különböző méretű fúrószárak
2. Kézi fúró
3. Fúrógép
4. Fűrész
5. Forrasztópáka + forrasztópáka
6. Huzalcsupaszító
7. Tű orrfogó
8. Hatlapú kulcsok különböző méretűek

Laboratóriumi kellékek:

1. Petri -csészék ~ 70 mm átmérőjű
2. 60 ml-es fecskendő Luer-zár hegyével
3. 10 ml-es fecskendő Luer-zár hegyével
4. Luer-zár szerelvények
5. Csövek szerelvényekhez
6. T Csatlakozó csövekhez
7. Centrifuga
8. Centrifuga csövek 60 ml
9. Skála
10. Mérjünk csónakokat
11. Autokláv
12. Főzőpohár
13. Mérőhengerrel
14. 0,1 M CaCl2 oldat
15. Agaróz
16. Alginát
17. Metil -cellulóz
18. Szacharóz

Szoftver:

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

1. lépés: 3D nyomtató kiválasztása

A Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 -t választottuk induló 3D nyomtatóként. Ezt a nyomtatót alacsony költsége és magas rendelkezésre állása miatt választották. Ezenkívül már rendelkezésre állt a nyomtató rendkívül pontos 3D -s modellje, ami megkönnyítette a tervezést. Ezt az utasítást erre a nyomtatóra szabják, de hasonló eljárással más általános FDM nyomtatók és CNC gépek is átalakíthatók.

Nagy pontosságú modell:

2. lépés: 3D nyomtatás

A Monoprice nyomtató szétszerelése előtt több alkatrészt kell 3D -ben kinyomtatni a 3D nyomtató módosításához. A paszta extrudereknek vannak változatai, az egyikhez epoxi és más nem. Az epoxit igénylő kompaktabb, de nehezebben összeszerelhető.

3. lépés: A nyomtató előkészítése a módosításhoz

Az elülső toronypanelt, az alsó fedelet és a kezelőpanelt el kell távolítani. Miután eltávolította az alját, válassza le az összes elektronikát a vezérlőpanelről, és távolítsa el a vezérlőpanelt.

4. lépés: Cserélhető tartó

Az 1 -es és a 14 -es testhez két -két melegítő anyára van szükség. Az 1. testet az öv alá rejtett két M3 csavar rögzíti a nyomtató keretéhez. A csavarok felfedhetők az övfeszítő eltávolításával és az öv egyik oldalára húzásával.

5. lépés: Z tengelykapcsoló

A Z-tengelykapcsoló úgy van pozícionálva, hogy bármilyen hosszúságú tű használható a beállítási folyamat során anélkül, hogy a szoftverben kompenzálná. A kapcsolót 2 M3 csavarral kell a nyomtató alvázához rögzíteni, közvetlenül a nyomtatófej alatt, a lehető legközelebb a nyomtatóágyhoz.

6. lépés: huzalozás

A bekötés a Ramps 1.4 szabványnak megfelelően történik. Egyszerűen kövesse a kapcsolási rajzot. Vágja le és ón huzalokat, ha szükséges a sorkapocshoz. Előfordulhat, hogy egyes vezetékeket meg kell hosszabbítani.

7. lépés: Epoxi extruder

Bár ez az extruder kevesebb időt vesz igénybe a nyomtatáshoz, epoxit használ, ami a teljes építési időt 24 órára növeli. A 8 mm -es menetes rudat epoxírozni kell a 608 -as csapágyhoz, a csapágyat pedig a 3D nyomtatott test 21 -es darabhoz. Ezenkívül a menetes rúd anyáját epoxálni kell a 40 -es testhez. Miután az epoxi teljesen kikeményedett, a gumi A 60 ml -es és 10 ml -es fecskendődugattyúk hegyei felszerelhetők a 9 -es és 21 -es testre. Nem találtak megfelelő T szerelvényt, így nyers darabot készítettek 6 mm -es sárgaréz csőből és forrasztóanyagból. Az extruder hidraulikus rendszerként működik, amely kiszorítja a Bioink -et a 10 ml -es fecskendő alsó kamrájából. A levegő kivezethető a rendszerből a csövek erőteljes rázásával, miközben a T szerelvényt a legmagasabb ponton tartja.

8. lépés: Rendszeres paszta extruder

Ez az extruder egyszerűen összecsavarozható. Ennek az extrudernek az a hátránya, hogy terjedelmesebb és nagy ellenállással rendelkezik.

9. lépés: 9. lépés: Arduino firmware

Az Arduino -nak firmware -re van szüksége a léptető illesztőprogramok és más elektronikai eszközök futtatásához. A Marlint választottuk, mivel ingyenes, könnyen módosítható Arduino IDE -vel és jól támogatott. Módosítottuk a firmware -t az adott hardverünkhöz, de nagyon egyszerű módosítani más nyomtatóknál, mert az összes kód megjegyzést és egyértelmű magyarázatot ad. Kattintson duplán a MonopriceV2BioprinterFirmware.ino fájlra a marlin konfigurációs fájlok megnyitásához.

10. lépés: Cura -profil

A Cura profil importálható az Ultimaker Cura 4.0.0 -ba, és felhasználható nagy felületű szemek készítésére, a profúziós reaktorban való használatra. A Gcode generálása a nyomtató számára még mindig csak kísérleti és sok türelmet igényel. Szintén csatolva van egy körkörös szaporodási reaktor teszt -kódja.

11. lépés: A Start G-kód megváltoztatása

Illessze be ezt a kódot a G-kód kezdő beállításába:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

A Repetier alkalmazásban a kezdő Gcode módosításához lépjen a szeletelő-> Konfiguráció-> G-kódok-> G-kódok indítása menüpontra. A G92 Z értékét minden egyes esetben módosítani kell. Lassan növelje az értéket, amíg a tű el nem éri a kívánt távolságot a Petri -csésze felületétől a nyomtatás elején.

12. lépés: A Bioink elkészítése

Az alkalmazáshoz megfelelő Bioink kifejlesztésének folyamata összetett. Ezt a folyamatot követtük:

Összefoglaló

A hidrogél nyírásra érzékeny növényi sejtekhez alkalmas, és nyitott makropórusokkal rendelkezik, amelyek lehetővé teszik a diffúziót. A hidrogélt az agaróz, az alginát, a metil -cellulóz és a szacharóz ionmentesített vízben való feloldásával és sejtek hozzáadásával állítják elő. A gél viszkózus, amíg 0,1 M kalcium -kloriddal meg nem keményedik, ami szilárdsá teszi. A kalcium-klorid keményítő oldat térhálósodik az algináttal, hogy szilárd legyen. Az alginát a gél alapja, a metil -cellulóz homogenizálja a gélt, és az agaróz nagyobb szerkezetet biztosít, mivel szobahőmérsékleten gélesedik. A szacharóz táplálékot biztosít a sejtek számára, hogy tovább növekedjenek a hidrogélben.

A gél ellenőrzésére szolgáló néhány kísérlet rövid áttekintése

Különböző hidrogéleket teszteltünk különböző mennyiségű agarózzal, és rögzítettük állagát, milyen könnyen nyomtatott, és hogy süllyedt -e vagy lebegett -e a kötőoldatban. Az alginát százalékának csökkenése miatt a gél túl folyékony lett, és nem tudta megtartani formáját nyomtatás után. Az alginát százalék növelése olyan gyorsan hatott a kötőoldatra, hogy a gél megszilárdult, mielőtt a felső réteghez tapadt. 2,8 tömeg% alginátból kifejlesztettek egy hidrogélt, amely megtartja alakját és nem köt túl gyorsan.

Hogyan fejleszthetünk hidrogélt

Anyagok

Agaróz (0,9 tömeg %)

Alginát (2,8 tömeg %)

Metil -cellulóz (3,0 tömeg%)

Szacharóz (3,0 tömeg%)

Kalcium -klorid. 1 M (147,001 g/mol)

ddH20

sejt aggregátumok

2 mosott és szárított főzőpohár

1 Keverő spatula

Alufólia

Műanyag súlypapír

Mérőhengerrel

Eljárás

A hidrogél készítése:

1. Mérjen ki egy meghatározott ddH20 -mennyiséget az alapján, hogy mennyi géloldatot szeretne elkészíteni. Használja a mérőhengert egy meghatározott ddH20 -térfogat eléréséhez.
2. A hidrogéloldat algint (2,8 tömeg %), agarózt (0,9 tömeg %), szacharózt (3 tömeg %) és metil -cellulózt (3 tömeg %) tartalmaz. A hidrogéloldat összetevőinek megfelelő részeit műanyag mérőpapírral mérik.
3. Ha befejezte az összes komponens mérését, adjon hozzá ddh20 -at, szacharózt, agarózt és végül nátrium -alginátot az egyik száraz főzőpohárba. Forgassa össze a keveréshez, de ne használjon spatulát a keveréshez, mert a por tapad a spatulához.
4. Miután összekeveredett, tekerje be megfelelően a főzőpohár tetejét alufóliával, és címkézze fel a főzőpoharat. Tegyen egy darab autokláv szalagot a fólia tetejére.
5. Tegye a maradék metil -cellulózt a másik száraz főzőpohárba, és tekerje be alufóliába, mint az előző főzőpoharat. Címkézze fel a főzőpoharat, és tegyen egy darab autokláv szalagot a fólia tetejére.
6. Csomagoljon 1 spatulát alufóliába, és győződjön meg róla, hogy egyik sem látható. Adjon hozzá autokláv szalagot a becsomagolt spatulához.
7. A 2 főzőpoharat és 1 spatulát autoklávozzuk 121 C -on 20 percig a sterilizálási ciklus alatt. NE HASZNÁLJA AZ AUTOKLAVÁT STERIL ÉS SZÁRAZ CIKLUSBAN.
8. Az autoklávozás befejezése után hagyja a gélt szobahőmérsékletre lehűlni, és miután elérte, kezdje el működését a Biológiai Biztonsági Szekrényben.
9. Feltétlenül mosson kezet és karot, és használjon megfelelő aszeptikus technikát, miután a biológiai biztonsági szekrényben dolgozik. Ügyeljen arra is, hogy ne kerüljön közvetlen érintkezésbe olyan tárgyakkal, amelyek érintik a gélt, vagy közel vannak a gélhez (pl.
10. A biológiai biztonsági szekrényben keverje a metil -cellulózt a gélbe, hogy homogén eloszlást kapjon. A keverés befejezése után tekerje fel újra a kevert géloldat tetejét, és tegye egy éjszakára a hűtőbe.
11. Innen a gél felhasználható a sejtek bevezetésére vagy más célokra, például nyomtatásra.

A cellák hozzáadása:

1. Szűrje le a cellákat, hogy azonos méretűek legyenek. A szűrési eljárásunk az

   Enyhén kaparja le a sejteket a Petri -csészéről, és 380 mikrométeres szitán szűrje le a sejteket.

2. Óvatosan keverje össze a szűrt sejteket a hidrogél oldatban egy laposfejű spatula segítségével, hogy elkerülje a keverék elvesztését (amelyeket autoklávoztak).
3. A sejtek összekeverése után centrifugáljuk ki a buborékokat
4. Innentől kezdve a hidrogél befejeződött, és felhasználható nyomtatáshoz, pácoláshoz és további kísérletekhez.

A kikeményítő oldat (0,1 M kalcium -klorid, CaCl2) kifejlesztése

Anyagok

Kalcium-klorid

ddH20

Szacharóz (3 tömeg %)

Eljárás (1 l keményítő oldat készítéséhez)

1. Mérjen 147,01 g kalcium -kloridot, 30 ml szacharózt és 1 l ddH20 -at.
2. Keverje össze a kalcium -kloridot, a szacharózt és a ddH20 -at egy nagy főzőpohárban vagy edényben.
3. A gélt legalább 10 percig merítse a kötőoldatba, hogy megszilárduljon.

13. lépés: Nyomtasson

Elméletileg a bioprintelés rendkívül egyszerű; a gyakorlatban azonban számos tényező okozhat kudarcot. Ezzel a géllel azt találtuk, hogy számos dolgot lehet tenni az alkalmazásunk sikerének maximalizálása érdekében:

1. Nyomtatás közben használjon kis mennyiségű CaCl2 oldatot a gél részleges kikeményítéséhez,
2. Használjon papírtörlőt a Petri -csésze alján, hogy fokozza a tapadást
3. Papírtörlővel egyenletesen terítse el a kis mennyiségű CaCl2 -t a teljes nyomaton
4. használja a Repetier áramlási csúszkáját a megfelelő áramlási sebesség megtalálásához

Különböző alkalmazásokhoz és különböző gélekhez különböző technikákat kell alkalmazni. Az eljárást több hónapig készítettük. A türelem kulcsfontosságú.

Sok sikert, ha megpróbálja ezt a projektet, és bátran tegyen fel kérdéseket.

Első díj az Arduino versenyen 2019