Bioprinter niske cijene: 13 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

Mi smo istraživački tim koji vodi UC Davis. Dio smo BioInnovation Grupe koja djeluje u laboratoriju TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (savjetnici dr. Marc Facciotti i Andrew Yao, magistar znanosti). Laboratorij okuplja studente različitih profila koji će raditi na ovom projektu (mehaničko/kemijsko/biomedicinsko inženjerstvo).

Malo pozadine ovog projekta je da smo započeli tiskanje transgenih stanica riže u suradnji s dr. Karen McDonald s odjela ChemE s ciljem razvoja jeftinog bioprintera kako bi biotisak bio pristupačniji istraživačkim institucijama. Trenutno jeftini bioprinteri koštaju otprilike 10 000 USD, dok vrhunski bioprinteri koštaju otprilike 170 000 USD. Nasuprot tome, naš pisač može se napraviti za otprilike 375 USD.

Pribor

Dijelovi:

1. Rampe 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Upravljački programi koračnih motora:
4. Dodatni koračni motor (opcionalno)
5. Snop izrađivača 2 u X 1 in
6. Oprema za pričvršćivanje grede izrađivača
7. M3 vijci različitih veličina
8. M3 matice x2
9. 8 mm navojna šipka
10. Matica 8 mm
11. 608 ležaj
12. Spojnica za vezivo
13. Filament
14. Monoprice V2
15. Zip kravate
16. M3 matice za zagrijavanje širine 2 mm

Alati:

1. Burgije različitih veličina
2. Ručna bušilica
3. Bušilica
4. Pila za metal
5. Lemilica + lemljenje
6. Skidač žice
7. Kliješta za iglasti nos
8. Šesterokutni ključevi različitih veličina

Laboratorijske potrepštine:

1. Petrijeve zdjelice promjera 70 mm
2. Štrcaljka od 60 ml s vrhom Luer-lock
3. Štrcaljka od 10 ml s vrhom Luer-lock
4. Okov Luer-lock
5. Cijevi za fitinge
6. T Priključak za cijevi
7. Centrifuga
8. Cijevi za centrifugiranje 60 ml
9. Ljestvica
10. Vagati čamce
11. Autoklav
12. Čaše
13. Diplomirani cilindar
14. 0,1 M otopina CaCl2
15. Agaroza
16. Alginat
17. Metilceluloza
18. Saharoza

Softver:

1. Fusion 360 ili Solidworks
2. Arduino IDE
3. Domaćin repetir
4. Ultimaker Cura 4

Korak 1: Odabir 3D pisača

Za početni 3D pisač odabrali smo Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2. Ovaj je pisač odabran zbog niske cijene i velike dostupnosti. Osim toga, već je bio dostupan vrlo precizan 3D model pisača koji je olakšao dizajn. Ovo uputstvo bit će prilagođeno za ovaj pisač, ali sličan postupak može se koristiti za pretvaranje drugih uobičajenih FDM pisača i CNC strojeva.

Model visoke točnosti:

Korak 2: 3D ispis

Prije rastavljanja pisača Monoprice potrebno je 3D dijelove ispisati za izmjenu 3D pisača. Postoje verzije ekstrudera za pastu, jedna za koju je potreban epoksid, a druga za koju ne. Onaj za koji je potreban epoksid kompaktniji je, ali ga je teže sastaviti.

Korak 3: Pripremite pisač za izmjene

Prednju ploču tornja, donji poklopac i upravljačku ploču treba ukloniti. Nakon što uklonite dno, isključite svu elektroniku s upravljačke ploče i uklonite upravljačku ploču.

Korak 4: Izmjenjivi nosač

Tijelo 1 i tijelo 14 zahtijevaju po dvije matice za zagrijavanje. Tijelo 1 montirano je na okvir pisača pomoću dva vijka M3 skrivena ispod pojasa. Vijci se mogu otkriti uklanjanjem zatezača pojasa i povlačenjem remena na jednu stranu.

Korak 5: Z Axis Switch

Prekidač osi Z postavljen je tako da se tijekom segmenta navođenja može koristiti igla bilo koje duljine bez kompenzacije u softveru. Prekidač treba montirati s 2 vijka M3 na kućište pisača izravno ispod glave za ispis što je moguće bliže ležištu za ispis.

Korak 6: Ožičenje

Ožičenje je izvedeno u skladu sa standardima Ramps 1.4. Jednostavno slijedite shemu ožičenja. Odrežite i pokosite žice prema potrebi za priključne blokove. Neke će žice možda trebati produžiti.

Korak 7: Epoksidni ekstruder

Iako ovom ekstruderu treba manje vremena za ispis, on koristi epoksid koji povećava ukupno vrijeme izrade na više od 24 sata. Navojna šipka od 8 mm treba biti epoksidirana na ležaj 608, a ležaj epoksidom na 3D tiskanom komadu Tijelo 21. Dodatno, maticu za navojnu šipku treba epoksidirati na Tijelo 40. Nakon što je epoksid potpuno stvrdnut, guma vrhovi klipova za štrcaljke od 60 ml i 10 ml mogu se postaviti na tijelo 9 odnosno 21. Nije se mogao pronaći odgovarajući T -okov, pa je sirov napravljen od mjedenih cijevi od 6 mm i lemljenja. Ekstruder djeluje kao hidraulični sustav koji potiskuje Bioink iz donje komore štrcaljke od 10 ml. Zrak se može isprazniti iz sustava snažnim protresanjem cijevi držeći T -spojnicu na najvišoj točki.

Korak 8: Obični ekstruder za paste

Ovaj ekstruder se jednostavno može spojiti vijcima. Nedostatak ovog ekstrudera je što je glomazniji i ima veliki zazor.

Korak 9: Korak 9: Arduino firmver

Arduinu je potreban firmver za pokretanje upravljačkih programa koraka i druge elektronike. Odabrali smo Marlin jer je besplatan, lako se mijenja s Arduino IDE -om i dobro podržava. Izmijenili smo firmver za naš specifični hardver, ali je prilično jednostavno promijeniti za druge pisače jer je sav kôd komentiran i jasno objašnjen. Dvaput kliknite datoteku MonopriceV2BioprinterFirmware.ino da biste otvorili konfiguracijske datoteke marlin.

Korak 10: Cura profil

Profil Cura može se uvesti u Ultimaker Cura 4.0.0 i koristiti za izradu mreža s velikom površinom za uporabu u reaktoru za profuziju. Generiranje Gcodea za pisač još je uvijek vrlo eksperimentalno i zahtijeva mnogo strpljenja. Priložen je i ispitni gcode za kružni reaktor za proizvodnju.

Korak 11: Promjena početnog G-koda

Zalijepite ovaj kôd u početnu postavku G-koda:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

U Repetieru, za izmjenu početnog Gcode-a idite na slicer-> Konfiguracija-> G-kodovi-> početni G-kodovi. Potrebno je izmijeniti vrijednost G92 Z za svaki pojedini slučaj. Polako povećavajte vrijednost dok igla ne bude na željenoj udaljenosti od površine Petrijeve zdjelice na početku ispisa.

Korak 12: Izrada bioinok

Postupak razvoja Bioinka koji je prikladan za primjenu je složen. Ovo je proces koji smo slijedili:

Sažetak

Hidrogel je pogodan za biljne stanice osjetljive na smicanje i ima otvorene makropore koje omogućuju difuziju. Hidrogel nastaje otapanjem agaroze, alginata, metilceluloze i saharoze u deioniziranoj vodi i dodavanjem stanica. Gel je viskozan sve dok se ne osuši s 0,1 M kalcijevog klorida, što ga čini čvrstim. Otopina za stvrdnjavanje kalcijevog klorida umrežava se s alginatom kako bi bila čvrsta. Alginat je baza gela, metilceluloza homogenizira gel, a agaroza daje veću strukturu budući da se želira na sobnoj temperaturi. Saharoza daje hranu stanicama za nastavak rasta u hidrogelu.

Kratak pregled nekih eksperimenata za provjeru gela

Testirali smo različite hidrogelove s različitim količinama agaroze i zabilježili njegovu konzistenciju, koliko se lako tiskao te je li potonuo ili plutao u otopini za stvrdnjavanje. Smanjivanjem postotka alginata gel je postao previše likvidan i nije mogao zadržati oblik nakon ispisa. Povećanjem postotka alginata otopina za stvrdnjavanje djelovala je tako brzo, da se gel stvrdnuo prije nego što se zalijepi za gornji sloj. Hidrogel koji zadržava oblik i ne suši se prebrzo razvijen je pomoću 2,8 mas.% Alginata.

Kako razviti hidrogel

Materijali

Agaroza (0,9 tež. %)

Alginat (2,8 tež. %)

Metilceluloza (3,0 tež.%)

Saharoza (3,0 tež.%)

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

ddH20

ćelijski agregati

2 oprane i osušene čaše

1 Lopatica za miješanje

Aluminijska folija

Plastični papir za vaganje

Diplomirani cilindar

Postupak

Izrada hidrogela:

1. Izmjerite određenu količinu ddH20 na temelju količine otopine gela koju želite pripremiti. Upotrijebite graduirani cilindar za dobivanje specifičnog volumena ddH20.
2. Otopina hidrogela sadržavat će alginat (2,8 tež. %), Agarozu (0,9 tež. %), Saharozu (3 tež. %) I metilcelulozu (3 tež. %). Odgovarajući dijelovi komponenata otopine hidrogela mjerit će se pomoću plastičnog papira za vaganje.
3. Kad završite s vaganjem svih komponenti, dodajte ddh20, saharozu, agarozu i na kraju natrijev alginat u jednu od suhih čaša. Zavrtite da se miješa, ali nemojte miješati lopaticom jer će se prah zalijepiti za lopaticu.
4. Nakon miješanja, omotajte gornji dio čaše aluminijskom folijom i označite čašu. Na vrh folije dodajte komad trake za autoklav.
5. Preostalu metilcelulozu stavite u drugu suhu posudu i zamotajte u aluminijsku foliju kao prethodnu posudu. Označite ovu čašu i dodajte komad trake za autoklav na vrh folije.
6. Zamotajte 1 lopaticu u aluminijsku foliju i pazite da ništa od toga nije izloženo. Zamotanoj lopatici dodajte traku za autoklav.
7. Autoklavirajte 2 čaše i 1 lopaticu na 121 C tijekom 20 minuta tijekom ciklusa sterilizacije. NE KORISTITE AUTOKLAVU U STERILNOM I SUHOM CIKLUSU.
8. Nakon završetka ciklusa autoklava, ostavite gel da se ohladi na sobnu temperaturu i nakon što ga dosegne, počnite s radom u ormaru za biološku sigurnost.
9. Operite ruke i ruke i upotrijebite odgovarajuću aseptičku tehniku nakon rada u ormaru za biološku sigurnost. Također pazite da ne dođete u izravan kontakt s predmetima koji će dodirnuti gel ili biti blizu gela (npr. Kraj lopatice za miješanje ili područje aluminijskih folija koje se nalazi iznad gela)
10. U ormaru za biološku sigurnost umiješajte metilcelulozu u gel kako biste dobili homogeno razmazivanje. Nakon završetka miješanja, ponovno omotajte otopinu miješanog gela i stavite u hladnjak preko noći.
11. Odavde se gel može koristiti za unošenje stanica ili za druge svrhe poput tiskanja.

Dodavanje ćelija:

1. Filtrirajte ćelije tako da budu iste veličine. Naš postupak filtriranja je

   Lagano sastružite stanice s Petrijeve zdjelice i upotrijebite sito od 380 mikrometara za filtriranje stanica.

2. Filtrirane stanice nježno pomiješajte u otopini hidrogela lopaticom s ravnom glavom kako biste izbjegli gubitak smjese (koja je autoklavirana).
3. Nakon miješanja stanica centrifugirajte mjehuriće
4. Odavde je hidrogel dovršen i može se koristiti za tiskanje, stvrdnjavanje i buduće pokuse.

Kako razviti otopinu za stvrdnjavanje (0,1 M kalcijev klorid, CaCl2)

Materijali

Kalcijev klorid

ddH20

Saharoza (3 tež. %)

Postupak (za pripremu 1L otopine za stvrdnjavanje)

1. Izmjerite 147,01 g kalcijevog klorida, 30 ml saharoze i 1 L ddH20.
2. Pomiješajte kalcijev klorid, saharozu i ddH20 u velikoj čaši ili posudi.
3. Uronite gel u otopinu za stvrdnjavanje najmanje 10 minuta da se stvrdne.

Korak 13: Ispis

U teoriji, Bioprinting je iznimno jednostavan; međutim, u praksi postoji mnogo čimbenika koji mogu uzrokovati kvarove. S ovim gelom otkrili smo da se nekoliko stvari može učiniti kako bi se povećao uspjeh naše aplikacije:

1. Koristite male količine otopine CaCl2 za djelomično stvrdnjavanje gela tijekom ispisa,
2. Za povećanje prianjanja upotrijebite papirnati ubrus na dnu petrijeve zdjele
3. Papirnatim ručnikom ravnomjerno rasporedite male količine CaCl2 po cijelom ispisu
4. upotrijebite klizač protoka u Repetieru kako biste pronašli točan protok

Za različite primjene i različite gelove, možda će se morati koristiti različite tehnike. Naš je postupak trajao nekoliko mjeseci. Strpljenje je ključno.

Sretno ako pokušate s ovim projektom i slobodno postavite bilo kakva pitanja.

Prva nagrada na Arduino natjecanju 2019