Bioprinter niske cijene: 13 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Mi smo istraživački tim koji vodi univerzitet u UC Davis. Mi smo dio BioInnovation Group -e, koja radi u TEAM -ovoj laboratoriji za molekularno prototipiranje i bioinnovacije (savjetnici dr. Marc Facciotti i Andrew Yao, M. S.). Laboratorija okuplja studente različitih profila koji će raditi na ovom projektu (mehaničko/hemijsko/biomedicinsko inženjerstvo).

Malo pozadine ovog projekta je da smo započeli štampanje transgenih ćelija pirinča u saradnji sa dr. Karen McDonald sa odeljenja ChemE sa ciljem da razvijemo jeftini bioprinter kako bi bioštampanje učinili pristupačnijim istraživačkim institucijama. Trenutno jeftini bioprinteri koštaju otprilike 10 000 USD, dok vrhunski bioprinteri koštaju otprilike 170 000 USD. Nasuprot tome, naš štampač se može napraviti za otprilike 375 USD.

Supplies

Dijelovi:

1. Rampe 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Upravljački programi koračnih motora:
4. Dodatni koračni motor (opcionalno)
5. Snop uređaja 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. Binder clip
13. Filament
14. Monoprice V2
15. Zip kravate
16. M3 matice za grijanje širine 2 mm

Alati:

1. Burgije različitih veličina
2. Ručna bušilica
3. Bušilica
4. Nožna pila
5. Lemilica + lemljenje
6. Skidač žice
7. Kliješta s iglastim nosem
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. Luer-lock oprema
5. Cijevi za fitinge
6. T Priključak za cijevi
7. Centrifuga
8. Tube za centrifugiranje 60 ml
9. Scale
10. Vagati čamce
11. Autoklav
12. Čaše
13. Graduirani cilindar
14. 0,1 M rastvor CaCl2
15. Agarose
16. Alginat
17. Metilceluloza
18. Saharoza

Softver:

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

Korak 1: Odabir 3D štampača

Odabrali smo Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 kao početni 3D štampač. 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 će biti prilagođeno ovom specifičnom štampaču, ali sličan proces može se koristiti za konverziju drugih uobičajenih FDM štampača i CNC mašina.

Model visoke preciznosti:

Korak 2: 3D štampanje

Prije rastavljanja štampača Monoprice potrebno je 3D dijelove odštampati za izmjenu 3D štampača. Postoje verzije ekstrudera za paste, jedna za koju je potreban epoksid, a druga za koju nije. Onaj za koji je potreban epoksid je kompaktniji, ali ga je teže sastaviti.

Korak 3: Pripremite štampač 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

Za tijelo 1 i tijelo 14 potrebno je po dvije matice za grijanje. Telo 1 je montirano na okvir štampača pomoću dva vijka M3 skrivena ispod pojasa. Vijci se mogu otkriti uklanjanjem zatezača pojasa i povlačenjem pojasa na jednu stranu.

Korak 5: Z Osovinski prekidač

Prekidač na osi Z je postavljen tako da se igla bilo koje dužine može koristiti tokom sekvence navođenja bez kompenzacije u softveru. Prekidač treba montirati sa 2 vijka M3 na kućište štampača direktno ispod glave za štampanje što je moguće bliže ležištu za štampanje.

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 žice će 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 štampanom komadu Tijelo 21. Osim toga, maticu za navojnu šipku treba epoksidirati na Tijelo 40. Nakon što se epoksid potpuno osuši, guma vrhovi klipova šprica od 60 ml i 10 ml mogu se postaviti preko tela 9, odnosno tela 21, respektivno. Nije se mogao pronaći odgovarajući T -okov, pa je sirov napravljen od mesinganih cijevi od 6 mm i lemljenja. Ekstruder djeluje kao hidraulični sistem koji potiskuje Bioink iz donje komore štrcaljke od 10 ml. Zrak se može ispuštati iz sistema snažnim protresanjem cijevi držeći T -spojnicu na najvišoj tački.

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 stepper upravljačkih programa 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 štampače jer je sav kôd komentiran i jasno objašnjen. Dvaput kliknite na datoteku MonopriceV2BioprinterFirmware.ino da otvorite marlin konfiguracijske datoteke.

Korak 10: Cura profil

Profil Cura može se uvesti u Ultimaker Cura 4.0.0 i koristiti za izradu mreža s velikom površinom za upotrebu u reaktoru za prosipanje. Generiranje Gcode -a za pisač još uvijek je vrlo eksperimentalno i zahtijeva mnogo strpljenja. Priložen je i testni kôd za kružni reaktor za snabdijevanje.

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 sve dok igla ne bude na željenoj udaljenosti od površine Petrijeve zdjelice na početku ispisa.

Korak 12: Napravite bioink

Proces razvoja Bioinka koji je prikladan za aplikaciju je složen. Ovo je proces koji smo slijedili:

Sažetak

Hidrogel je pogodan za biljne ćelije osjetljive na smicanje i ima otvorene makropore koje omogućuju difuziju. Hidrogel nastaje otapanjem agaroze, alginata, metilceluloze i saharoze u deioniziranoj vodi i dodavanjem ćelija. Gel je viskozan sve dok se ne očvrsne s 0,1 M kalcijevog klorida, što ga čini čvrstim. Rastvor za očvršćavanje kalcijum hlorida umrežava se sa alginatom kako bi bio čvrst. Alginat je baza gela, metilceluloza homogenizira gel, a agaroza daje veću strukturu budući da se želira na sobnoj temperaturi. Saharoza daje hranu ćelijama 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 rastvoru za stvrdnjavanje. Smanjivanjem postotka alginata gel je postao previše likvidan i nije mogao zadržati oblik nakon štampanja. 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.%)

Kalcijum hlorid.1M (147.001 g/mol)

ddH20

ćelijski agregati

2 oprane i osušene čaše

1 Lopatica za mešanje

Aluminijska folija

Plastični papir za vaganje

Diplomirani cilindar

Procedura

Pravljenje hidrogela:

1. Izmjerite određenu količinu ddH20 na osnovu toga koliko otopine gela želite pripremiti. Upotrijebite graduirani cilindar za dobivanje određene zapremine ddH20.
2. Rastvor hidrogela će sadržavati 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. Kada završite s vaganjem svih komponenti, dodajte ddh20, saharozu, agarozu i na kraju natrijev alginat u jednu od suhih čaša. Vrtite da miješate, ali nemojte miješati lopaticom jer će se prah zalijepiti za lopaticu.
4. Nakon miješanja, omotajte gornji dio čaše aluminijskom folijom i označite čašu. Dodajte komad trake za autoklav na vrh folije.
5. Preostalu metilcelulozu stavite u drugu suhu čašu i zamotajte u aluminijsku foliju kao prethodnu čašu. Označite ovu čašu i dodajte komad trake za autoklav na vrh folije.
6. Umotajte 1 lopaticu u aluminijsku foliju i pazite da ništa od toga nije izloženo. Na omotanu lopaticu dodajte traku za autoklav.
7. Autoklavirajte 2 čaše i 1 lopaticu na 121 C tokom 20 minuta tokom 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 kabinetu za biološku sigurnost.
9. Operite ruke i ruke i koristite odgovarajuću aseptičku tehniku nakon rada u ormaru za biološku sigurnost. Također pazite da ne dođete u direktan kontakt sa predmetima koji će dodirnuti gel ili biti blizu gela (npr. Kraj miješalice lopatice ili područje aluminijske folije koja sjedi iznad gela)
10. U ormaru za biološku sigurnost umiješajte metilcelulozu u gel kako biste dobili homogeno širenje. Nakon miješanja, ponovo omotajte otopinu miješanog gela i stavite u hladnjak preko noći.
11. Odavde se gel može koristiti za unošenje ćelija ili za druge svrhe poput štampanja.

Dodavanje ćelija:

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

   Lagano sastružite ćelije s Petrijeve zdjelice i upotrijebite sito od 380 mikrometara za filtriranje ćelija.

2. Filtrirane ćelije nježno pomiješajte u otopini hidrogela pomoću lopatice s ravnom glavom kako biste izbjegli gubitak smjese (koja je autoklavirana).
3. Nakon miješanja ćelija centrifugirajte mjehuriće
4. Odavde je hidrogel kompletan i može se koristiti za štampanje, očvršćavanje i buduće eksperimente.

Kako razviti rastvor za očvršćavanje (0,1M kalcijum hlorid, CaCl2)

Materijali

Kalcijum hlorid

ddH20

Saharoza (3 tež. %)

Postupak (za izradu 1L rastvora za očvršćavanje)

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 rastvor za očvršćavanje najmanje 10 minuta da se stvrdne.

Korak 13: Štampajte

U teoriji, bioštampanje je izuzetno jednostavno; međutim, u praksi postoji mnogo faktora 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 adhezije upotrijebite papirnati ubrus na dnu petrijeve zdjele
3. Papirnim ubrusom ravnomjerno rasporedite male količine CaCl2 po cijelom otisku
4. koristite klizač protoka u Repetieru da biste pronašli ispravnu brzinu protoka

Za različite primjene i različite gelove, možda će biti potrebno koristiti različite tehnike. Naš postupak je trajao nekoliko mjeseci. Strpljenje je ključ.

Sretno ako pokušate s ovim projektom i slobodno postavite bilo koje pitanje.

Prva nagrada na Arduino takmičenju 2019