کم هزینه چاپگر زیستی: 13 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

ما یک تیم تحقیقاتی تحت رهبری در UC Davis هستیم. ما بخشی از گروه BioInnovation هستیم که در آزمایشگاه نمونه سازی مولکولی TEAM و BioInnovation (مشاوران دکتر Marc Facciotti و Andrew Yao، M. S.) فعالیت می کند. این آزمایشگاه دانش آموزان با پیشینه های مختلف را گرد هم می آورد تا بر روی این پروژه کار کنند (مهندسی مکانیک/شیمی/مهندسی زیست).

کمی پیش زمینه در مورد این پروژه این است که ما چاپ سلول های برنج تراریخته را در همکاری با دکتر کارن مک دونالد از بخش ChemE با هدف توسعه یک چاپگر زیستی کم هزینه برای دسترسی بیشتر چاپ زیستی به موسسات تحقیقاتی آغاز کردیم. در حال حاضر ، چاپگرهای زیستی با قیمت پایین تقریباً 10،000 دلار هزینه دارند ، در حالی که چاپگرهای بیولوژیکی با کیفیت بالا تقریباً 170،000 دلار هزینه دارند. در مقابل ، چاپگر ما را می توان تقریباً 375 دلار ساخت.

تدارکات

قطعات:

1. رمپ 1.4:
2. آردوینو مگا 2560:
3. رانندگان موتور پله ای:
4. استپر موتور اضافی (اختیاری)
5. پرتو ساز 2 در X 1 اینچ
6. سخت افزار ضمیمه پرتو ساز
7. پیچ M3 در اندازه های مختلف
8. M3 مهره x2
9. میله رزوه ای 8 میلی متری
10. مهره 8 میلی متری
11. 608 بلبرینگ
12. کلیپ بایندر
13. رشته
14. Monoprice V2
15. کراوات زیپی
16. مهره تنظیم کننده M3 با عرض 2 میلی متر

ابزارها:

1. مته های متراژ در اندازه های مختلف
2. دریل دستی
3. مته فشاری
4. اره برقی
5. لحیم کاری + لحیم کاری
6. استریپر سیمی
7. دم باریک
8. کلیدهای شش ضلعی در اندازه های مختلف

لوازم آزمایشگاهی:

1. ظروف پتری به قطر 70 میلی متر
2. سرنگ 60 میلی لیتری با نوک لوکر قفل
3. سرنگ 10 میلی لیتری با نوک Luer-lock
4. اتصالات Luer-lock
5. لوله اتصالات
6. T اتصال لوله
7. سانتریفیوژ
8. لوله های سانتریفیوژ 60 میلی لیتری
9. مقیاس
10. قایق ها را وزن کنید
11. اتوکلاو
12. لیوان ها
13. استوانه مدرج
14. 0.1M محلول CaCl2
15. آگارز
16. آلژینات
17. متیل سلولز
18. ساکارز

نرم افزار:

1. فیوژن 360 یا Solidworks
2. آردوینو IDE
3. میزبان تکراری
4. Ultimaker Cura 4

مرحله 1: انتخاب چاپگر سه بعدی

ما Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 را به عنوان چاپگر سه بعدی اولیه انتخاب کردیم. این چاپگر به دلیل هزینه کم و در دسترس بودن بالا انتخاب شده است. علاوه بر این ، یک مدل سه بعدی بسیار دقیق از چاپگر در حال حاضر موجود بود که طراحی را آسان تر کرد. این دستورالعمل برای این چاپگر خاص طراحی شده است ، اما می توان از یک فرآیند مشابه برای تبدیل سایر چاپگرهای رایج FDM و دستگاه های CNC استفاده کرد.

مدل با دقت بالا:

مرحله 2: چاپ سه بعدی

قبل از جداسازی چاپگر Monoprice ، چندین قسمت برای اصلاح چاپگر سه بعدی نیاز به چاپ سه بعدی دارند. نسخه هایی از اکسترودرهای خمیری وجود دارد ، یکی نیاز به اپوکسی دارد و دیگری فاقد آن است. دستگاهی که به اپوکسی نیاز دارد جمع و جورتر است اما مونتاژ آن دشوارتر است.

مرحله 3: چاپگر را برای اصلاح آماده کنید

پانل برج جلویی ، پوشش زیرین و صفحه کنترل باید برداشته شوند. هنگامی که قسمت زیرین برداشته شد ، تمام قطعات الکترونیکی را از برد کنترل جدا کرده و برد کنترل را بردارید.

مرحله 4: کوه قابل تعویض

بدن 1 و بدن 14 هر کدام به دو مهره تنظیم حرارتی نیاز دارند. بدنه 1 توسط دو پیچ M3 که در زیر کمربند پنهان شده اند ، روی قاب چاپگر نصب می شود. پیچ ها را می توان با برداشتن کشنده تسمه و کشیدن تسمه به یک طرف آشکار کرد.

مرحله 5: Z Axis Switch

سوئیچ محور Z به گونه ای تغییر مکان می دهد که هر سوزن طولی را می توان در حین دنباله سازی بدون جبران در نرم افزار استفاده کرد. سوئیچ باید با 2 پیچ M3 بر روی شاسی چاپگر و در زیر سر چاپ تا آنجا که ممکن است نزدیک باشد.

مرحله 6: سیم کشی

سیم کشی مطابق با استانداردهای Ramps 1.4 انجام می شود. به سادگی نمودار سیم کشی را دنبال کنید. سیمهای مورد نیاز را برای بلوک های ترمینال قطع کنید. برخی از سیم ها ممکن است نیاز به طولانی شدن داشته باشند.

مرحله 7: اکسترودر اپوکسی

در حالی که این اکسترودر زمان کمتری برای چاپ نیاز دارد ، از اپوکسی استفاده می کند که کل زمان ساخت را به بیش از 24 ساعت افزایش می دهد. میله رزوه ای 8 میلی متری باید بر روی بلبرینگ 608 اپوکسی شود و یاتاقان باید روی قطعه چاپ سه بعدی بدن 21 اپوکسی شود. علاوه بر این ، مهره میله رزوه دار باید روی بدنه 40 اپوکسی شود. پس از اینکه اپوکسی کاملاً پخت ، لاستیک راهنمایی های پیستون سرنگ 60 و 10 میلی لیتری را می توان به ترتیب روی بدن 9 و بدن 21 نصب کرد. یک اتصالات T مناسب پیدا نشد ، بنابراین یک لوله خام از لوله و لحیم برنجی 6 میلی متری ساخته شد. اکسترودر به عنوان یک سیستم هیدرولیک عمل می کند که Bioink را از محفظه پایینی سرنگ 10 میلی لیتری بیرون می کند. با تکان دادن شدید لوله ها در حالی که اتصالات T را در بالاترین نقطه نگه داشته اید می توانید هوا را از سیستم خارج کنید.

مرحله 8: اکسترودر چسباندن معمولی

این اکسترودر را می توان به سادگی به هم وصل کرد. نقطه ضعف این اکسترودر این است که حجیم تر است و عکس العمل بالایی دارد.

مرحله 9: مرحله 9: نرم افزار Arduino

آردوینو برای اجرای درایورهای استپر و سایر لوازم الکترونیکی به سیستم عامل نیاز دارد. ما مارلین را رایگان انتخاب کردیم ، به راحتی با Arduino IDE اصلاح شد و به خوبی پشتیبانی می شد. ما سیستم عامل را برای سخت افزار خاص خود تغییر داده ایم ، اما اصلاح آن برای چاپگرهای دیگر بسیار ساده است زیرا همه کد کامنت گذاری شده و به وضوح توضیح داده شده است. روی فایل MonopriceV2BioprinterFirmware.ino دوبار کلیک کنید تا فایل های پیکربندی marlin باز شوند.

مرحله 10: مشخصات Cura

مشخصات Cura را می توان به Ultimaker Cura 4.0.0 وارد کرد و برای ساخت مشهای سطح بالا برای استفاده در راکتور فراوان استفاده کرد. تولید Gcode برای چاپگر هنوز بسیار آزمایشی است و به صبر و حوصله زیادی نیاز دارد. همچنین یک کد آزمایشی برای یک راکتور فراگیر دایره ای پیوست شده است.

مرحله 11: تغییر کد G شروع

این کد را در تنظیمات کد G شروع کنید:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

در Repetier ، برای تغییر Gcode شروع به مسیر slicer-> Configuration-> G-codes-> start G-codes بروید. لازم است مقدار G92 Z را برای هر مورد خاص تغییر دهید. مقدار را به آرامی افزایش دهید تا زمانی که سوزن در شروع چاپ فاصله دلخواه از سطح ظرف پتری باشد.

گام دوازدهم: ایجاد ارتباط زیستی

روند توسعه Bioink مناسب برای یک برنامه پیچیده است. این روندی است که ما دنبال کردیم:

خلاصه

هیدروژل برای سلولهای گیاهی حساس به برش مناسب است و ماکروپورهای باز دارد که اجازه انتشار می دهد. هیدروژل با حل شدن آگاروز ، آلژینات ، متیل سلولز و ساکارز در آب دیونیزه و افزودن سلول ها ساخته می شود. این ژل چسبناک است تا زمانی که با 0.1M کلرید کلسیم پخت شود ، که باعث استحکام آن می شود. محلول پخت کلرید کلسیم با آلژینات پیوند متقابل ایجاد می کند تا محکم شود. آلژینات پایه ژل است ، متیل سلولز ژل را یکدست می کند و آگاروز از آنجا که در دمای اتاق ژل می کند ، ساختار بیشتری را فراهم می کند. ساکارز غذا را برای سلول ها برای ادامه رشد در هیدروژل فراهم می کند.

مروری کوتاه بر برخی از آزمایشات برای تأیید ژل

ما هیدروژل های مختلف را با مقادیر مختلف آگارز آزمایش کردیم و قوام آن ، نحوه چاپ آسان آن و اینکه آیا در محلول پخت غرق می شود یا شناور است را ثبت کردیم. کاهش درصد آلژینات ژل را بسیار مایع کرده و بعد از چاپ نمی تواند شکل خود را حفظ کند. افزایش درصد آلژینات باعث شد که محلول پخت به سرعت کار کند ، به طوری که ژل قبل از چسبیدن به لایه بالایی درمان می شود. هیدروژلی که شکل خود را حفظ می کند و خیلی زود درمان نمی شود ، با استفاده از آلژینات 2.8 درصد وزنی تولید شد.

نحوه ایجاد هیدروژل

مواد

آگارز (0.9 درصد وزنی)

آلژینات (2.8 درصد وزنی)

متیل سلولز (3.0 درصد وزنی)

ساکارز (3.0 درصد وزنی)

کلرید کلسیم.1M (147.001 گرم در مول)

ddH20

مصالح سلولی

2 لیوان شسته و خشک شده

1 کاردک مخلوط کردن

ورقه ی آلومینیومی

کاغذ وزن پلاستیکی

استوانه مدرج

روش

ساخت هیدروژل:

1. مقدار خاصی از ddH20 را بر اساس میزان محلول ژلی که می خواهید آماده کنید اندازه گیری کنید. برای به دست آوردن حجم خاصی از ddH20 از استوانه مدرج استفاده کنید.
2. محلول هیدروژل حاوی آلژینات (2.8 درصد وزنی) ، آگارز (0.9 درصد وزنی) ، ساکارز (3 درصد وزنی) و متیل سلولز (3 درصد وزنی) خواهد بود. قسمتهای مناسب اجزای محلول هیدروژل با استفاده از کاغذ توزین پلاستیکی اندازه گیری می شود.
3. پس از اتمام وزن تمام اجزاء ، ddh20 ، ساکارز ، آگارز و در آخر آلژینات سدیم را به یکی از لیوان های خشک اضافه کنید. برای مخلوط شدن بچرخانید اما برای مخلوط کردن از اسپاتول استفاده نکنید زیرا پودر به کاردک می چسبد.
4. پس از مخلوط شدن ، قسمت بالایی لیوان را با فویل آلومینیومی به درستی بپیچانید و لیوان را برچسب گذاری کنید. یک تکه نوار اتوکلاو را به بالای فویل اضافه کنید.
5. متیل سلولز باقیمانده را در لیوان خشک دیگر بگذارید و مانند فنجان قبلی در فویل آلومینیومی بپیچید. این لیوان را برچسب زده و یک تکه نوار اتوکلاو را به بالای فویل اضافه کنید.
6. 1 کاردک را در فویل آلومینیومی بپیچید و مطمئن شوید هیچ یک از آن در معرض دید قرار نگرفته است. نوار اتوکلاو را به اسپاتول پیچیده اضافه کنید.
7. 2 لیوان و 1 کاردک را در دمای 121 درجه سانتی گراد به مدت 20 دقیقه در طول چرخه عقیم سازی اتوکلاو کنید. از اتوکلاو در چرخه استریل و خشک استفاده نکنید.
8. پس از اتمام چرخه اتوکلاو ، اجازه دهید ژل تا دمای اتاق سرد شود و پس از رسیدن به آن ، در کابینت ایمنی بیولوژیکی شروع به کار کنید.
9. حتماً دست ها و بازوهای خود را بشویید و از یک تکنیک آسپتیک مناسب پس از کار در کابینت ایمنی زیستی استفاده کنید. همچنین مطمئن شوید که با اجسامی که ژل را لمس می کنند یا نزدیک ژل هستند تماس نگیرید (به عنوان مثال: انتهای مخلوط کردن اسپاتول یا ناحیه ای از ورقه های آلومینیومی که روی ژل قرار دارد)
10. در کابینت ایمنی زیستی ، متیل سلولز را با ژل مخلوط کنید تا پخش همگن شود. پس از اتمام مخلوط کردن ، روی محلول ژل مخلوط شده را دوباره بپیچید و یک شب در یخچال قرار دهید.
11. از اینجا می توان از ژل برای معرفی سلول ها یا موارد دیگر مانند چاپ استفاده کرد.

افزودن سلول ها:

1. سلول ها را فیلتر کنید تا اندازه آنها یکسان باشد. روش ما برای فیلتر کردن است

   سلولها را به آرامی از روی برگ پتری جدا کرده و از یک الک 380 میکرومتر برای فیلتر کردن سلولها استفاده کنید.

2. سلولهای فیلتر شده را به آرامی در محلول هیدروژل با استفاده از یک کاردک سر تخت مخلوط کنید تا از تلف شدن مخلوط (اتوکلاو شده) جلوگیری شود.
3. پس از مخلوط کردن سلول ها ، حباب ها را سانتریفیوژ کنید
4. از اینجا هیدروژل کامل است و می تواند برای چاپ ، پخت و آزمایش های آینده استفاده شود.

نحوه ایجاد محلول پخت (0.1M کلرید کلسیم ، CaCl2)

مواد

کلرید کلسیم

ddH20

ساکارز (3 درصد وزنی)

روش (ساخت محلول پخت 1 لیتر)

1. 147.01 گرم کلرید کلسیم ، 30 میلی لیتر ساکارز و 1 لیتر ddH20 را اندازه گیری کنید.
2. کلرید کلسیم ، ساکارز و ddH20 را در یک لیوان یا ظرف بزرگ مخلوط کنید.
3. ژل را حداقل 10 دقیقه در محلول پخت قرار دهید تا خوب شود.

مرحله 13: چاپ کنید

از نظر تئوری ، چاپ زیستی بسیار ساده است. با این حال ، در عمل ، عوامل زیادی وجود دارد که می تواند باعث شکست شود. با استفاده از این ژل ، ما متوجه شده ایم که چندین کار را می توان برای به حداکثر رساندن موفقیت برنامه ما انجام داد:

1. از مقادیر کمی از محلول CaCl2 برای درمان جزئی ژل در حین چاپ استفاده کنید ،
2. برای افزایش چسبندگی از یک حوله کاغذی در پایین ظرف پتری استفاده کنید
3. از یک حوله کاغذی برای پخش یکنواخت مقادیر کمی از CaCl2 در کل چاپ استفاده کنید
4. از اسلایدر flowrate در Repetier برای یافتن میزان جریان مناسب استفاده کنید

برای کاربردهای مختلف و ژل های مختلف ، ممکن است نیاز به استفاده از تکنیک های مختلف باشد. روش ما طی چند ماه ایجاد شد. صبر کلید است.

موفق باشید اگر این پروژه را امتحان کنید و هر گونه س feelالی را بپرسید.

اولین جایزه در مسابقه آردوینو 2019