מדפס ביולוגי בעלות נמוכה: 13 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

אנו צוות מחקר בהנחיית תואר ראשון באוניברסיטת UC Davis. אנו חלק מקבוצת BioInnovation, הפועלת במעבדת ה- TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation (היועצים ד ר מארק פצ'וטי ואנדרו יאו, MS). המעבדה מפגישה סטודנטים מרקעים מגוונים לעבודה בפרויקט זה (הנדסת מכונות/כימיה/ביומד).

קצת רקע על הפרויקט הזה הוא שהתחלנו להדפיס תאי אורז מהונדסים בשיתוף פעולה עם ד ר קארן מקדונלד ממחלקת ChemE במטרה לפתח מדפסת ביולוגית בעלות נמוכה כדי להפוך את ההדפסה הביולוגית לנגישה יותר למוסדות מחקר. נכון לעכשיו, מדפסות ביולוגיות נמוכות עולות כ -10,000 $ בעוד שמדפסות ביו-יוקרתיות עולות כ -170,000 $. לעומת זאת, ניתן לבנות את המדפסת שלנו במחיר של כ- 375 $.

אספקה

חלקים:

1. רמפות 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. נהגי מנוע צעד:
4. מנוע צעד נוסף (אופציונלי)
5. קרן יצרנית 2 ב X 1 אינץ '
6. חומרה מצורפת לקרן יצרנית
7. ברגים M3 במידות שונות
8. אגוזים M3 x2
9. מוט הברגה 8 מ"מ
10. אגוז 8 מ"מ
11. 608 מיסב
12. קליפ קלסר
13. נִימָה
14. Monoprice V2
15. קשרי רוכסן
16. אגוזים קבועים בחום M3 ברוחב 2 מ"מ

כלים:

1. מקדחים בגדלים שונים
2. מקדח יד
3. עיתונות מקדחה
4. מַסוֹר לְמַתֶכֶת
5. מגהץ + הלחמה
6. חשפן חוטים
7. צבת אף מחט
8. מפתחות משושה בגדלים שונים

ציוד מעבדה:

1. צלחות פטרי ~ קוטר 70 מ"מ
2. מזרק 60 מ"ל עם קצה Luer-lock
3. מזרק 10 מ"ל עם קצה Luer-lock
4. אביזרי Luer-lock
5. צינורות לאביזרים
6. מחבר T לצינורות
7. סַרכֶּזֶת
8. צינורות צנטריפוגה 60 מ"ל
9. סוּלָם
10. לשקול סירות
11. חיטוי
12. כוסות
13. משורה
14. 0.1 מ 'CaCl2 פתרון
15. אגרוס
16. אלגינט
17. מתילצלולוזה
18. סוכרוז

תוֹכנָה:

1. Fusion 360 או Solidworks
2. Arduino IDE
3. מארח חוזר
4. Ulta Maker Cura 4

שלב 1: בחירת מדפסת תלת מימד

בחרנו את מדפסת התלת מימד 3D V2 של Monoprice MP Select כמדפסת התלת מימד המתחילה. מדפסת זו נבחרה בשל המחיר הנמוך והזמינות הגבוהה שלה. בנוסף, דגם תלת מימד מדויק ביותר של המדפסת כבר היה זמין מה שהקל על העיצוב. מדריך זה יותאם למדפסת ספציפית זו, אך ניתן להשתמש בתהליך דומה להמרת מדפסות FDM נפוצות אחרות ומכונות CNC.

מודל דיוק גבוה:

שלב 2: הדפסה תלת מימדית

לפני פירוק מדפסת Monoprice, יש צורך להדפיס מספר חלקים בתלת מימד לצורך שינוי מדפסת התלת מימד. ישנן גרסאות של מכשירי הדבק, אחת הדורשת אפוקסי ואחת לא. זה שדורש אפוקסי הוא קומפקטי יותר אך קשה יותר להרכבה.

שלב 3: הכן את המדפסת לשינוי

יש להסיר את לוח המגדל הקדמי, המכסה התחתון ולוח הבקרה. לאחר הסרת החלק התחתון, נתק את כל האלקטרוניקה מלוח הבקרה והסר את לוח הבקרה.

שלב 4: הר להחלפה

גוף 1 וגוף 14 דורשים כל אחד משני אגוזים. גוף 1 מותקן על מסגרת המדפסת על ידי שני ברגי ה- M3 החבויים מתחת לחגורה. ניתן לגלות את הברגים על ידי הסרת מתיחת החגורה ומשיכת החגורה לצד אחד.

שלב 5: מתג ציר Z

מתג ציר ה- Z ממוקם מחדש כך שניתן להשתמש בכל מחט באורך במהלך רצף הביות מבלי לפצות בתוכנה. המתג צריך להיות מותקן עם 2 ברגי M3 לשלדת המדפסת ישירות מתחת לראש ההדפסה קרוב ככל האפשר למיטת ההדפסה.

שלב 6: חיווט

החיווט מתבצע בהתאם לתקני Ramps 1.4. פשוט עקוב אחר תרשים החיווט. חותכים ומדפים חוטים לפי הצורך עבור אבני הטרמינל. ייתכן שיהיה צורך להאריך כמה חוטים.

שלב 7: מכבש אפוקסי

בעוד שלוחץ זה לוקח פחות זמן להדפיס, הוא משתמש באפוקסי אשר מגדיל את זמן הבנייה הכולל ליותר מ -24 שעות. מוט הברגה 8 מ"מ צריך להיות אפוקסי למנשא 608 והמסב צריך להיות אפוקסי לחלק המודפס בתלת מימד גוף 21. בנוסף, האום למוט המושחל צריך להיות אפוקסי לגוף 40. לאחר שהאפוקסי נרפא במלואו, הגומי ניתן להתאים עצות מתוך בוכנות המזרקים של 60 מ"ל ו -10 מ"ל על גוף 9 וגוף 21 בהתאמה. לא ניתן היה למצוא התאמת T מתאימה ולכן עשוי גולמי עשוי צינורות פליז 6 מ"מ והלחמה. המכבש פועל כמערכת הידראולית הדוחפת את ה- Bioink מתוך החדר התחתון של המזרק של 10 מ"ל. ניתן לפנות אוויר מחוץ למערכת על ידי ניעור נמרץ של הצינורות תוך החזקת התאמת T בנקודה הגבוהה ביותר.

שלב 8: מכבש הדבקה רגיל

ניתן פשוט לחבר את המכבש הזה. החיסרון במכשיר זה הוא שהוא בעל נפח גדול יותר ותגובת נגד גבוהה.

שלב 9: שלב 9: קושחת Arduino

ה- Arduino זקוק לקושחה כדי להפעיל את מנהלי ההתקנים והאלקטרוניקה האחרים. בחרנו במרלין מכיוון שהוא בחינם, ניתן לשנות אותו בקלות עם Arduino IDE ונתמך היטב. שינינו את הקושחה עבור החומרה הספציפית שלנו אך היא די פשוטה לשינוי עבור מדפסות אחרות מכיוון שכל הקוד מגיב ומוסבר בבירור. לחץ פעמיים על הקובץ MonopriceV2BioprinterFirmware.ino כדי לפתוח את קבצי התצורה של מרלין.

שלב 10: פרופיל Cura

ניתן לייבא את פרופיל Cura ל- Ultimaker Cura 4.0.0 ולהשתמש בו לייצור רשתות שטח גבוהות לשימוש בכור שפע. הדור של Gcode למדפסת עדיין ניסיוני ביותר ודורש הרבה סבלנות. כמו כן מצורף קוד gcode לבדיקת כור שופע מעגלי.

שלב 11: שינוי קוד G התחל

הדבק קוד זה בהגדרת קוד G התחלתי:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

ב- Repetier, כדי לשנות את Gcode ההתחלתי, עבור אל slicer-> Configuration-> G-codes-> start G-codes. יש צורך לשנות את ערך G92 Z לכל מקרה מסוים. לאט לאט להגדיל את הערך עד שהמחט היא המרחק הרצוי ממשטח צלחת הפטרי בתחילת ההדפסה.

שלב 12: הכנת ה- Bioink

התהליך לפיתוח Bioink המתאים ליישום הוא מורכב. זהו התהליך בו עקבנו:

סיכום

ההידרוג'ל מתאים לתאי צמחים רגישים לגזירה ובעל מקרופורים פתוחים המאפשרים דיפוזיה. ההידרוג'ל מיוצר על ידי המסת אגרוז, אלגינט, מתילצלולוזה וסוכרוז במים מיונים והוספת תאים. הג'ל צמיג עד שהוא נרפא עם 0.1M סידן כלורי, מה שהופך אותו ליציב. הפתרון לריפוי הסידן כלוריד חוצה קישורים עם האלגינט כדי להפוך אותו ליציב. האלגינט הוא הבסיס של הג'ל, המתילצלולוז הומוגניזציה של הג'ל והאגרוז מספק מבנה רב יותר מכיוון שהוא ג'ל בטמפרטורת החדר. הסוכרוז מספק מזון לתאים להמשיך לגדול בהידרוג'ל.

סקירה קצרה של כמה ניסויים לאימות הג'ל

בדקנו הידרוגלים שונים עם כמויות משתנות של אגרוזה ורשמנו את עקביותו, באיזו קלות הוא מדפיס והאם הוא שקע או צף בתמיסת הריפוי. הורדת אחוזי האלגינט הופכת את הג'ל לנוזלי מדי והוא לא הצליח לשמור על צורתו לאחר ההדפסה. הגדלת אחוז האלגינט גרמה לפתרון הריפוי לעבוד כל כך מהר, עד שהג'ל נרפא לפני שהוא נדבק לשכבה העליונה. הידרוג'ל ששומר על צורתו ולא מרפא מהר מדי פותח תוך שימוש באלגינט 2.8%.

כיצד לפתח הידרוג'ל

חומרים

אגרוז (0.9 וואט %)

אלגינט (2.8 וואט %)

מתילצלולוזה (3.0 אחוזים אחוזים)

סוכרוז (3.0 וואט%)

סידן כלוריד.1 M (147.001 גרם/מול)

ddH20

אגרגטים של תאים

2 כוסות שטופות ומיובשות

1 מרית ערבוב

נייר אלומיניום

נייר שקילה מפלסטיק

משורה

תהליך

הכנת ההידרוג'ל:

1. מדוד כמות ספציפית של ddH20 בהתבסס על כמה פתרון ג'ל שאתה רוצה להכין. השתמש בגליל המדורג כדי להשיג נפח ספציפי של ddH20.
2. תמיסת ההידרוג'ל יכיל אלגינט (2.8 % %)), Agarose (0.9 % %), סוכרוז (3 % %), ומתילצלולוז (3 % %). חלקים נכונים של מרכיבי תמיסת ההידרוג'ל יימדדו באמצעות נייר השקילה מפלסטיק.
3. בסיום שקלול כל המרכיבים, הוסף ddh20, סוכרוז, אגרוז ולבסוף נתרן אלגינט לאחד הכוסות היבשות. מערבולת לערבב אך אין להשתמש במרית לערבוב מכיוון שהאבקה תידבק למרית.
4. לאחר ערבובו, עטפו את החלק העליון של הכוס בנייר אלומיניום כראוי ותייגו את הכוס. הוסף חתיכת סרט חיטוי לחלק העליון של נייר הכסף.
5. הכניסו את יתרת המתילצלולוזה לכוס היבשה השנייה ועטפו אותה ברדיד אלומיניום כמו הכוס הקודמת. תייגו את הכוס הזו והוסיפו חתיכת סרט חיטוי לחלק העליון של נייר הכסף.
6. עטפו מרית אחת בנייר אלומיניום וודאו שאף אחד ממנה אינו חשוף. הוסף סרט חיטוי למרית עטופה.
7. חיטוי 2 כוסות ומרית אחת ב 121 מעלות צלזיוס למשך 20 דקות במהלך מחזור לעקר. אין להשתמש באוטוקלאב במחזור סטרילי ויבש.
8. לאחר השלמת מחזור החיטוי, אפשר לג'ל להתקרר לטמפרטורת החדר ולאחר שהגיע אליו, התחל לפעול בארון הבטיחות הביולוגי.
9. הקפד לשטוף ידיים וזרועות ולהשתמש בטכניקה אספטית מתאימה לאחר הפעלה בארון הבטיחות הביולוגי. כמו כן, הקפד לא לבוא במגע ישיר עם חפצים שייגעו בג'ל או שיהיו קרובים לג'ל (למשל: קצה הערבוב של המרית, או האזור של נייר האלומיניום היושב מעל הג'ל)
10. בארון הבטיחות ביוס מערבבים את המתילצלולוז לתוך הג'ל על מנת לקבל התפשטות הומוגנית. לאחר סיום הערבוב, עטפו מחדש את תמיסת הג'ל המעורב בחלקו העליון והכניסו למקרר למשך הלילה.
11. מכאן ניתן להשתמש בג'ל להכנסת התאים או לשימושים אחרים כמו הדפסה.

הוספת התאים:

1. סנן את התאים כך שהם באותו גודל. הנוהל שלנו לסינון הוא

   לגרד קלות את התאים מצלחת הפטרי ולהשתמש במסננת 380 מיקרומטר לסנן את התאים.

2. מערבבים בעדינות את התאים המסוננים בתמיסת ההידרוג'ל בעזרת מרית ראש שטוח כדי למנוע אובדן של התערובת (שעברו חיטוי).
3. לאחר ערבוב התאים צנטריפוגה החוצה בועות
4. מכאן ההידרוג'ל שלם וניתן להשתמש בו להדפסה, ריפוי וניסויים עתידיים.

כיצד לפתח את פתרון הריפוי (0.1M סידן כלורי, CaCl2)

חומרים

סידן כלורי

ddH20

סוכרוז (3 אחוזים אחוזים)

נוהל (להכנת פתרון ריפוי 1 ליטר)

1. מדוד 147.01 גרם סידן כלוריד, 30 מ"ל סוכרוז ו -1 ליטר ddH20.
2. מערבבים סידן כלוריד, סוכרוז ו- ddH20 בכוס גדולה או במיכל.
3. טובלים את הג'ל בתמיסת הריפוי למשך 10 דקות לפחות לריפוי.

שלב 13: הדפס

בתיאוריה, Bioprinting הוא פשוט ביותר; עם זאת, בפועל, ישנם גורמים רבים שיכולים לגרום לכשלים. בעזרת ג'ל זה, גילינו שניתן לעשות מספר דברים בכדי למקסם את ההצלחה ביישום שלנו:

1. השתמש בכמויות קטנות של פתרון CaCl2 לריפוי חלקי של הג'ל בזמן ההדפסה,
2. השתמש במגבת נייר בתחתית צלחת הפטרי כדי להגביר את ההדבקה
3. השתמש במגבת נייר כדי לפזר כמויות קטנות של CaCl2 על כל ההדפסה
4. השתמש במחוון קצב הזרימה ב- Repetier כדי למצוא את קצב הזרימה הנכון

ליישומים שונים וג'לים שונים, ייתכן שיהיה צורך להשתמש בטכניקות שונות. ההליך שלנו נוצר במשך מספר חודשים. סבלנות היא המפתח.

בהצלחה אם תנסה בפרויקט זה ואל תהסס לשאול שאלות.

פרס ראשון בתחרות ארדואינו 2019