Máy in sinh học chi phí thấp: 13 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Chúng tôi là một nhóm nghiên cứu do đại học đứng đầu tại UC Davis. Chúng tôi là một thành viên của Nhóm BioInnovation, hoạt động trong Phòng thí nghiệm Tạo mẫu Phân tử và Nuôi cấy Sinh học TEAM (Cố vấn Tiến sĩ Marc Facciotti và Andrew Yao, M. S.). Phòng thí nghiệm tập hợp các sinh viên có nguồn gốc khác nhau để làm việc trong dự án này (mech / hóa học / kỹ thuật y sinh).

Một chút thông tin cơ bản về dự án này là chúng tôi đã bắt đầu in tế bào lúa chuyển gen trong sự hợp tác với Tiến sĩ Karen McDonald thuộc bộ phận ChemE với mục tiêu phát triển một máy in sinh học chi phí thấp để làm cho việc in sinh học dễ tiếp cận hơn đối với các tổ chức nghiên cứu. Hiện tại, máy in sinh học cấp thấp có giá khoảng $ 10, 000 trong khi máy in sinh học cao cấp có giá khoảng $ 170, 000. Ngược lại, máy in của chúng tôi có thể được chế tạo với giá khoảng $ 375.

Quân nhu

Các bộ phận:

1. Đường dốc 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Trình điều khiển động cơ bước: https://www.amazon.com/BIQU-Comp Tương thích-Stepper-Ste…
4. Động cơ bước bổ sung (tùy chọn)
5. Chùm Maker 2 in X 1 in
6. Phần cứng đính kèm dầm Maker
7. Vít M3 các loại kích cỡ
8. Đai ốc M3 x2
9. Thanh ren 8 mm
10. Đai ốc 8 mm
11. 608 mang
12. Kẹp bướm
13. Dây tóc
14. Monoprice V2
15. Quan hệ zip
16. Đai ốc bộ nhiệt M3 chiều rộng 2mm

Công cụ:

1. Mũi khoan có nhiều kích cỡ khác nhau
2. Khoan tay
3. Máy khoan
4. Cưa sắt
5. Hàn sắt + thuốc hàn
6. Thợ thoát y dây
7. Kìm mũi kim
8. Phím lục giác nhiều kích cỡ khác nhau

Nguồn cung cấp phòng thí nghiệm:

1. Đĩa petri đường kính ~ 70mm
2. Ống tiêm 60 ml với đầu khóa Luer
3. Ống tiêm 10 ml có đầu khóa Luer
4. Phụ kiện khóa Luer
5. Ống cho phụ kiện
6. Đầu nối T cho ống
7. Máy ly tâm
8. Ống ly tâm 60ml
9. Tỉ lệ
10. Cân thuyền
11. Nồi hấp
12. Loa
13. Xi lanh hình trụ
14. Dung dịch CaCl2 0,1M
15. Agarose
16. Alginate
17. Methylcellulose
18. Sucrose

Phần mềm:

1. Fusion 360 hoặc Solidworks
2. Arduino IDE
3. Máy chủ lặp lại
4. Ultimaker Cura 4

Bước 1: Chọn máy in 3D

Chúng tôi chọn Máy in 3D Monoprice MP Select Mini V2 làm máy in 3D bắt đầu. Máy in này được chọn vì giá thành rẻ và tính khả dụng cao. Ngoài ra, một mô hình 3D chính xác cao của máy in đã có sẵn, giúp thiết kế dễ dàng hơn. Hướng dẫn này sẽ được thiết kế riêng cho máy in cụ thể này nhưng một quy trình tương tự có thể được sử dụng để chuyển đổi các máy in FDM và máy CNC thông thường khác.

Mô hình có độ chính xác cao:

Bước 2: In 3D

Trước khi tháo rời máy in Monoprice, một số bộ phận cần được in 3D để sửa đổi máy in 3D. Có các phiên bản của máy đùn dán, một loại yêu cầu epoxy và một loại không. Yêu cầu epoxy nhỏ gọn hơn nhưng khó lắp ráp hơn.

Bước 3: Chuẩn bị máy in để sửa đổi

Nên tháo bảng điều khiển tháp phía trước, nắp dưới và bảng điều khiển. Khi phần đáy đã được tháo ra, hãy ngắt kết nối tất cả các thiết bị điện tử khỏi bo mạch điều khiển và tháo bo mạch điều khiển.

Bước 4: Gắn kết hoán đổi cho nhau

Thân 1 và Thân 14 đều yêu cầu hai đai ốc bộ nhiệt. Thân 1 được gắn vào khung máy in bằng hai bu lông M3 ẩn dưới dây đai. Có thể để lộ các bu lông bằng cách tháo bộ căng đai và kéo đai sang một bên.

Bước 5: Chuyển đổi trục Z

Công tắc trục Z được định vị lại để có thể sử dụng bất kỳ kim chiều dài nào trong trình tự di chuyển mà không cần bù trong phần mềm. Công tắc phải được gắn bằng 2 vít M3 vào khung máy in ngay dưới đầu in càng gần giường in càng tốt.

Bước 6: Đấu dây

Hệ thống dây điện được thực hiện theo tiêu chuẩn Ramps 1.4. Đơn giản chỉ cần làm theo sơ đồ nối dây. Cắt dây và thiếc dây nếu cần cho các khối đầu cuối. Một số dây có thể cần được kéo dài.

Bước 7: Máy đùn Epoxy

Trong khi máy đùn này mất ít thời gian hơn để in, nó sử dụng epoxy giúp tăng tổng thời gian xây dựng lên hơn 24 giờ. Thanh ren 8mm phải được gắn vào ổ trục 608 và ổ trục phải được gắn vào miếng in 3D Thân 21. Ngoài ra, đai ốc của thanh ren phải được gắn vào Thân 40. Khi epoxy đã được đóng rắn hoàn toàn, cao su Các đầu từ các pít-tông ống tiêm 60ml và 10 ml có thể được lắp tương ứng trên Body 9 và Body 21. Không thể tìm thấy ống nối T thích hợp nên một ống thô được làm từ ống đồng 6mm và hàn. Máy đùn hoạt động như một hệ thống thủy lực đẩy Bioink ra khỏi khoang dưới của ống tiêm 10 ml. Không khí có thể được hút ra khỏi hệ thống bằng cách lắc mạnh các ống trong khi giữ khớp nối T ở điểm cao nhất.

Bước 8: Máy đùn dán thông thường

Máy đùn này có thể được bắt vít với nhau một cách đơn giản. Nhược điểm của máy đùn này là nó cồng kềnh hơn và có phản ứng dữ dội cao.

Bước 9: Bước 9: Phần mềm cơ sở Arduino

Arduino cần phần sụn để chạy trình điều khiển bước và các thiết bị điện tử khác. Chúng tôi chọn Marlin vì nó miễn phí, dễ dàng sửa đổi với Arduino IDE và được hỗ trợ tốt. Chúng tôi đã sửa đổi phần sụn cho phần cứng cụ thể của mình nhưng việc sửa đổi khá đơn giản cho các máy in khác vì tất cả mã đều được nhận xét và giải thích rõ ràng. Nhấp đúp vào tệp MonopriceV2BioprinterFirmware.ino để mở tệp cấu hình marlin.

Bước 10: Hồ sơ Cura

Hồ sơ Cura có thể được nhập vào Ultimaker Cura 4.0.0 và được sử dụng để tạo các lưới có diện tích bề mặt cao để sử dụng trong lò phản ứng cô đặc. Việc tạo ra Gcode cho máy in vẫn còn mang tính thử nghiệm cao và đòi hỏi nhiều kiên nhẫn. Cũng được đính kèm là mã gcode thử nghiệm cho lò phản ứng dạng tròn.

Bước 11: Thay đổi Start G-code

Dán mã này vào bắt đầu cài đặt mã G:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Trong Repetier, để sửa đổi start Gcode, hãy chuyển đến Slice-> Configuration-> G-Code-> start G-codes. Cần phải sửa đổi giá trị G92 Z cho từng trường hợp cụ thể. Từ từ tăng giá trị cho đến khi kim cách bề mặt đĩa Petri khoảng cách mong muốn khi bắt đầu in.

Bước 12: Tạo liên kết sinh học

Quá trình phát triển một Bioink phù hợp với một ứng dụng rất phức tạp. Đây là quá trình mà chúng tôi đã làm theo:

Tóm lược

Hydrogel thích hợp cho các tế bào thực vật nhạy cảm với lực cắt và có các đại thực bào mở để cho phép khuếch tán. Hydrogel được tạo ra bằng cách hòa tan agarose, alginate, methylcellulose và sucrose trong nước khử ion và thêm tế bào. Gel có độ nhớt cho đến khi được đóng rắn bằng clorua canxi 0,1M, tạo độ cứng cho nó. Dung dịch đóng rắn canxi clorua liên kết chéo với alginat để làm cho nó cứng cáp. Alginate là cơ sở của gel, methylcellulose đồng nhất gel và agarose cung cấp nhiều cấu trúc hơn vì nó tạo gel ở nhiệt độ phòng. Đường sucrose cung cấp thức ăn cho các tế bào tiếp tục phát triển trong hydrogel.

Tổng quan ngắn gọn về một số thí nghiệm để xác minh gel

Chúng tôi đã thử nghiệm các hydrogel khác nhau với lượng agarose khác nhau và ghi lại tính nhất quán của nó, độ dễ in của nó và liệu nó chìm hay nổi trong dung dịch đóng rắn. Việc giảm tỷ lệ alginate làm cho gel quá lỏng và nó không thể giữ được hình dạng sau khi in. Việc tăng tỷ lệ alginate làm cho dung dịch đóng rắn hoạt động nhanh đến mức gel sẽ đóng rắn trước khi dính vào lớp trên cùng. Một loại hydrogel giữ được hình dạng và không đóng rắn quá nhanh đã được phát triển bằng cách sử dụng 2,8 wt% alginate.

Cách phát triển hydrogel

Vật liệu

Agarose (0,9% trọng lượng)

Alginate (2,8 trọng lượng%)

Methylcellulose (3.0% trọng lượng)

Sucrose (3,0 trọng lượng%)

Canxi clorua.1M (147,001 g / mol)

ddH20

tổng hợp tế bào

2 loa đã rửa & sấy khô

1 thìa trộn

Giấy nhôm

Giấy cân nhựa

Xi lanh hình trụ

Thủ tục

Tạo Hydrogel:

1. Đo lượng ddH20 cụ thể dựa trên lượng dung dịch gel bạn muốn chuẩn bị. Dùng bình chia độ để thu được ddH20 có thể tích riêng.
2. Dung dịch hydrogel sẽ chứa Alginate (2,8% trọng lượng)), Agarose (0,9% trọng lượng), sucrose (3% trọng lượng) và methylcellulose (3% trọng lượng). Các phần thích hợp của các thành phần của dung dịch hydrogel sẽ được đo bằng cách sử dụng giấy cân nhựa.
3. Khi cân xong tất cả các thành phần, thêm ddh20, sucrose, agarose, và cuối cùng là natri alginat vào một trong các cốc khô. Xoay để trộn nhưng không dùng thìa để trộn vì bột sẽ dính vào thìa.
4. Sau khi đã trộn xong, dùng giấy nhôm bọc kín phần trên của cốc và dán nhãn cho cốc. Thêm một miếng băng keo vào đầu của giấy bạc.
5. Cho metylcellulose còn lại vào cốc khô còn lại và bọc trong giấy nhôm như cốc trước. Dán nhãn cho cốc có mỏ này và thêm một miếng băng keo vào trên cùng của tờ giấy bạc.
6. Bọc 1 thìa trong giấy nhôm và đảm bảo không có thìa nào bị lộ ra ngoài. Thêm băng keo vào que cấy đã quấn.
7. Hấp tiệt trùng 2 cốc và 1 thìa ở 121 C trong 20 phút trong chu kỳ tiệt trùng. KHÔNG SỬ DỤNG AUTOCLAVE TRONG CHU KỲ KHÔ & CHU KỲ.
8. Khi chu trình hấp tiệt trùng hoàn tất, hãy để gel nguội xuống nhiệt độ phòng và khi đã đạt yêu cầu, hãy bắt đầu vận hành trong Tủ an toàn sinh học.
9. Đảm bảo rửa tay và cánh tay của bạn và sử dụng kỹ thuật vô trùng thích hợp sau khi vận hành trong tủ an toàn sinh học. Đồng thời ĐẢM BẢO không tiếp xúc trực tiếp với các vật thể sẽ chạm vào gel hoặc ở gần gel (ví dụ: đầu trộn của dao trộn hoặc vùng của lá nhôm nằm trên gel)
10. Trong tủ an toàn sinh học, trộn methylcellulose vào gel để lan truyền đồng nhất. Sau khi trộn xong, bọc lại phần dung dịch gel đã trộn ở trên và để trong tủ lạnh qua đêm.
11. Từ đây, gel có thể được sử dụng để giới thiệu các tế bào hoặc cho các mục đích sử dụng khác như in ấn.

Thêm các ô:

1. Lọc các ô để chúng có cùng kích thước. Quy trình lọc của chúng tôi là

   Cạo nhẹ các tế bào ra khỏi đĩa petri và sử dụng rây 380 micromet để lọc tế bào.

2. Nhẹ nhàng trộn các tế bào đã lọc trong dung dịch hydrogel bằng thìa đầu dẹt để tránh làm mất hỗn hợp (đã được hấp tiệt trùng).
3. Sau khi trộn các tế bào ly tâm ra bọt
4. Từ đây, hydrogel đã hoàn thành và có thể được sử dụng để in, đóng rắn và các thí nghiệm trong tương lai.

Cách phát triển dung dịch đóng rắn (Clorua vôi 0,1M, CaCl2)

Vật liệu

Clorua canxi

ddH20

Sucrose (3% trọng lượng)

Quy trình (để tạo 1L dung dịch đóng rắn)

1. Đo 147,01g canxi clorua, 30mL sucrose và 1L ddH20.
2. Trộn canxi clorua, sacaroza và ddH20 trong một cốc hoặc bình chứa lớn.
3. Nhúng gel trong dung dịch đóng rắn ít nhất 10 phút để đóng rắn.

Bước 13: In

Về lý thuyết, Bioprinting cực kỳ đơn giản; tuy nhiên, trong thực tế, có rất nhiều yếu tố có thể gây ra thất bại. Với gel này, chúng tôi nhận thấy rằng có thể thực hiện một số điều để tối đa hóa thành công cho ứng dụng của chúng tôi:

1. Sử dụng một lượng nhỏ dung dịch CaCl2 để bảo dưỡng một phần gel trong khi in,
2. Dùng khăn giấy lót dưới đáy đĩa petri để tăng độ kết dính
3. Sử dụng khăn giấy để trải đều một lượng nhỏ CaCl2 lên toàn bộ bản in
4. sử dụng thanh trượt lưu lượng trong Bộ lặp lại để tìm lưu lượng chính xác

Đối với các ứng dụng khác nhau và các loại gel khác nhau, có thể cần sử dụng các kỹ thuật khác nhau. Thủ tục của chúng tôi đã được tạo ra trong vài tháng. Kiên nhẫn là chìa khóa.

Chúc may mắn nếu bạn thử dự án này và vui lòng đặt bất kỳ câu hỏi nào.

Giải nhất Cuộc thi Arduino 2019