Düşük Maliyetli Biyoyazıcı: 13 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Biz, UC Davis'te lisans düzeyindeki bir araştırma ekibiyiz. TEAM Moleküler Prototipleme ve BioInnovation Lab'de (Danışmanlar Dr. Marc Facciotti ve Andrew Yao, M. S.) faaliyet gösteren BioInnovation Group'un bir parçasıyız. Laboratuar, bu projede (mekanik/kimyasal/biyomedya mühendisliği) çalışmak için farklı geçmişlere sahip öğrencileri bir araya getiriyor.

Bu projede biraz arka plan, biyobaskıyı araştırma kurumları için daha erişilebilir hale getirmek için düşük maliyetli bir biyoyazıcı geliştirmek amacıyla ChemE departmanından Dr. Karen McDonald ile ortaklaşa transgenik pirinç hücreleri basmaya başlamış olmamızdır. Şu anda, düşük kaliteli biyoyazıcıların maliyeti yaklaşık 10.000 ABD Doları iken, yüksek kaliteli biyoyazıcıların maliyeti yaklaşık 170.000 ABD Dolarıdır. Buna karşılık, yazıcımız yaklaşık 375 ABD Dolarına üretilebilir.

Gereçler

Parçalar:

1. Rampalar 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Step motor sürücüleri:
4. Ek step motor (isteğe bağlı)
5. Yapıcı ışın 2'de X 1'de
6. Yapıcı kiriş ek donanımı
7. M3 vidalar çeşitli ebatlarda
8. M3 fındık x2
9. 8 mm dişli çubuk
10. 8 mm somun
11. 608 rulman
12. bağlayıcı klip
13. filament
14. Monoprice V2
15. Zip bağları
16. M3 ısı ayar somunları 2mm genişlik

Aletler:

1. Çeşitli boyutlarda matkap uçları
2. El matkabı
3. Matkap basın
4. Demir testeresi
5. Havya + lehim
6. tel striptizci
7. Kargaburun
8. Çeşitli boyutlarda altıgen anahtarlar

Laboratuvar malzemeleri:

1. Petri kapları ~70mm çap
2. Luer-lock uçlu 60 ml şırınga
3. Luer-lock uçlu 10 ml şırınga
4. Luer-lock bağlantı parçaları
5. Bağlantı parçaları için boru
6. Tüp için T Konnektör
7. Santrifüj
8. Santrifüj tüpleri 60ml
9. Ölçek
10. Tekneleri tartmak
11. Otoklav
12. beherler
13. Dereceli silindir
14. 0.1M CaCl2 çözeltisi
15. agaroz
16. aljinat
17. metilselüloz
18. Sakaroz

Yazılım:

1. Fusion 360 veya Solidworks
2. Arduino IDE'si
3. Tekrarlayıcı Ana Bilgisayar
4. Ultimaker Cura 4

1. Adım: Bir 3D Yazıcı Seçme

Başlangıç 3D yazıcı olarak Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2'yi seçtik. Bu yazıcı, düşük maliyeti ve yüksek kullanılabilirliği nedeniyle seçildi. Ek olarak, tasarımı kolaylaştıran, yazıcının son derece hassas bir 3D modeli zaten mevcuttu. Bu talimat, bu özel yazıcı için uyarlanacaktır, ancak diğer yaygın FDM yazıcıları ve CNC makinelerini dönüştürmek için benzer bir işlem kullanılabilir.

Yüksek doğruluk modeli:

2. Adım: 3D Baskı

Monoprice yazıcının demonte edilmesinden önce, 3D yazıcının modifikasyonu için birkaç parçanın 3D olarak basılması gerekir. Macun ekstrüderlerinin, epoksi gerektiren ve gerektirmeyen versiyonları vardır. Epoksi gerektiren, daha kompakt ancak montajı daha zordur.

3. Adım: Yazıcıyı Değişiklik İçin Hazırlayın

Ön kule paneli, alt kapak ve kontrol paneli çıkarılmalıdır. Alt kısım çıkarıldıktan sonra, tüm elektronik aksamları kontrol panosundan ayırın ve kontrol panosunu çıkarın.

Adım 4: Değiştirilebilir Montaj

Gövde 1 ve Gövde 14'ün her biri iki ısı ayarlı somun gerektirir. Gövde 1, kayışın altına gizlenmiş iki M3 cıvata ile yazıcı çerçevesine monte edilir. Cıvatalar, kayış gerdiricisinin çıkarılması ve kayışın bir tarafa çekilmesiyle ortaya çıkarılabilir.

Adım 5: Z Ekseni Anahtarı

Z ekseni anahtarı, yazılımda dengeleme yapmadan hedef arama dizisi sırasında herhangi bir uzunluktaki iğnenin kullanılabilmesi için yeniden konumlandırılmıştır. Anahtar, 2 M3 vida ile yazıcı kasasına, yazıcı kafasının hemen altına, mümkün olduğunca baskı yatağına yakın olarak monte edilmelidir.

Adım 6: Kablolama

Kablolama Ramps 1.4 standartlarına uygun olarak yapılmıştır. Basitçe kablo şemasını takip edin. Terminal blokları için gerektiği gibi kabloları kesin ve kalaylayın. Bazı tellerin uzatılması gerekebilir.

Adım 7: Epoksi Ekstrüder

Bu ekstrüderin yazdırılması daha az zaman alırken, toplam yapım süresini 24 saatten fazla artıran epoksi kullanır. 8mm dişli çubuk 608 yatağına epoksilenmeli ve yatak 3D baskılı parça Gövde 21'e epoksilenmelidir. Ek olarak dişli çubuk somunu Gövde 40'a epoksilenmelidir. Epoksi tamamen kürlendikten sonra kauçuk 60 ml ve 10 ml şırınga pistonlarından gelen uçlar sırasıyla Gövde 9 ve Gövde 21 üzerine takılabilir. Uygun bir T bağlantı parçası bulunamadı, bu nedenle 6 mm pirinç boru ve lehimden ham bir tane yapıldı. Ekstrüder, Bioink'i 10 ml'lik şırınganın alt bölmesinden dışarı iten bir hidrolik sistem görevi görür. T bağlantı elemanını en yüksek noktada tutarken tüpleri kuvvetlice sallayarak sistemden hava tahliye edilebilir.

Adım 8: Normal Yapıştır Ekstrüderi

Bu ekstrüder basitçe birbirine cıvatalanabilir. Bu ekstrüderin dezavantajı, daha hacimli olması ve yüksek geri tepmeye sahip olmasıdır.

Adım 9: Adım 9: Arduino Firmware

Arduino, step sürücülerini ve diğer elektronikleri çalıştırmak için bellenime ihtiyaç duyar. Marlin'i ücretsiz olduğu, Arduino IDE ile kolayca değiştirilebildiği ve iyi desteklendiği için seçtik. Ürün yazılımını kendi özel donanımımız için değiştirdik, ancak tüm kodlar yorumlandığı ve açık bir şekilde açıklandığı için diğer yazıcılar için değiştirmek oldukça basittir. Marlin yapılandırma dosyalarını açmak için MonopriceV2BioprinterFirmware.ino dosyasına çift tıklayın.

Adım 10: Cura Profili

Cura profili, Ultimaker Cura 4.0.0'a aktarılabilir ve bir bolluk reaktöründe kullanılmak üzere yüksek yüzey alanlı ağlar yapmak için kullanılabilir. Yazıcı için Gcode üretimi hala oldukça deneyseldir ve çok sabır gerektirir. Ayrıca, dairesel bir bolluk reaktörü için bir test kodu da eklenmiştir.

Adım 11: Başlangıç G kodunun değiştirilmesi

Bu kodu başlangıç G kodu ayarına yapıştırın:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Repetier'de, Gcode başlangıcını değiştirmek için dilimleyici->Yapılandırma->G-kodları->G-kodlarını başlat seçeneğine gidin. Her bir özel durum için G92 Z değerini değiştirmek gerekir. Baskının başlangıcında iğne Petri kabı yüzeyinden istenen mesafeye gelene kadar değeri yavaşça artırın.

Adım 12: Bioink'i Yapmak

Bir uygulamaya uygun bir Bioink geliştirme süreci karmaşıktır. Bu, takip ettiğimiz süreç:

Özet

Hidrojel, kesmeye duyarlı bitki hücreleri için uygundur ve difüzyona izin vermek için açık makro gözeneklere sahiptir. Hidrojel, agaroz, aljinat, metilselüloz ve sakarozun deiyonize suda çözülmesi ve hücrelerin eklenmesiyle yapılır. Jel, 0.1M kalsiyum klorür ile sertleşene kadar viskozdur, bu da onu sağlam kılar. Kalsiyum klorür kürleme solüsyonu, onu sağlam hale getirmek için aljinat ile çapraz bağlanır. Aljinat jelin tabanıdır, metilselüloz jeli homojenleştirir ve agaroz oda sıcaklığında jelleştiği için daha fazla yapı sağlar. Sükroz, hücrelerin hidrojel içinde büyümeye devam etmesi için besin sağlar.

Jeli doğrulamak için bazı deneylere kısa bir genel bakış

Farklı hidrojelleri değişen miktarlarda agaroz ile test ettik ve tutarlılığını, ne kadar kolay basıldığını ve sertleştirme solüsyonunda battığını veya yüzdüğünü kaydettik. Aljinat yüzdesinin düşürülmesi jeli fazla sıvı hale getirdi ve baskı sonrası şeklini koruyamadı. Aljinat yüzdesinin arttırılması, sertleştirme çözeltisinin o kadar hızlı çalışmasını sağladı ki, jel üst katmana yapışmadan önce sertleşecekti. Şeklini koruyan ve çok hızlı kürlenmeyen bir hidrojel, ağırlıkça %2,8 aljinat kullanılarak geliştirildi.

Bir hidrojel nasıl geliştirilir

Malzemeler

Agaroz (ağırlıkça %0.9)

Aljinat (ağırlıkça %2.8)

Metilselüloz (ağırlıkça %3.0)

Sükroz (ağırlıkça %3.0)

Kalsiyum Klorür.1M (147.001 g/mol)

ddH20

hücre kümeleri

2 adet Yıkanmış & Kurutulmuş Beher

1 Karıştırma Spatulası

Aliminyum folyo

Plastik Tartı Kağıt

Dereceli silindir

prosedür

Hidrojel Yapılışı:

1. Ne kadar jel solüsyonu hazırlamak istediğinize bağlı olarak belirli bir miktarda ddH20 ölçün. Belirli bir ddH20 hacmi elde etmek için dereceli silindiri kullanın.
2. Hidrojel solüsyonu, Aljinat (ağırlıkça %2.8), Agaroz (ağırlıkça %0.9), sakaroz (ağırlıkça %3'tür) ve metilselüloz (ağırlıkça %3) içerecektir. Hidrojel çözeltisinin bileşenlerinin uygun kısımları, plastik ağırlık kağıdı kullanılarak ölçülecektir.
3. Tüm bileşenleri tartmayı bitirdiğinizde, kuru beherlerden birine ddh20, sakaroz, agaroz ve son olarak sodyum aljinat ekleyin. Karıştırmak için döndürün, ancak karıştırmak için spatula kullanmayın çünkü toz spatulaya yapışacaktır.
4. Karıştırıldıktan sonra beherin üstünü alüminyum folyo ile düzgün bir şekilde sarın ve beheri etiketleyin. Folyonun üstüne bir parça otoklav bandı ekleyin.
5. Kalan metilselülozu diğer kuru behere koyun ve önceki beher gibi alüminyum folyoya sarın. Bu beheri etiketleyin ve folyonun üstüne bir parça otoklav bandı ekleyin.
6. 1 spatulayı alüminyum folyoya sarın ve hiçbirinin açıkta kalmadığından emin olun. Sarılı spatulaya otoklav bandı ekleyin.
7. Sterilizasyon döngüsü sırasında 2 beher ve 1 spatulayı 121 C'de 20 dakika otoklavlayın. OTOKLAVI STERİL VE KURU ÇEVRİMDE KULLANMAYIN.
8. Otoklav döngüsü tamamlandıktan sonra jelin oda sıcaklığına soğumasını bekleyin ve jele ulaştığında Biyolojik Güvenlik Kabininde çalışmaya başlayın.
9. Biyogüvenlik kabininde çalıştırdıktan sonra ellerinizi ve kollarınızı yıkadığınızdan ve uygun aseptik teknik uyguladığınızdan emin olun. Ayrıca jele dokunacak veya jele yakın olacak nesnelerle (örn: spatulanın karıştırma ucu veya alüminyum folyoların jelin üzerine oturan bölgesi) doğrudan temas ettirmediğinizden EMİN OLUN.
10. Biyogüvenlik kabininde homojen yayılmayı sağlamak için metilselülozu jele karıştırın. Karıştırma işlemi tamamlandıktan sonra, karıştırılmış jel solüsyonunun üstünü tekrar sarın ve gece boyunca buzdolabına koyun.
11. Buradan jel, hücrelerin yerleştirilmesi veya baskı gibi diğer kullanımlar için kullanılabilir.

Hücreleri Eklemek:

1. Hücreleri aynı boyutta olacak şekilde filtreleyin. Filtreleme prosedürümüz

   Petri kabındaki hücreleri hafifçe kazıyın ve hücreleri filtrelemek için 380 mikrometrelik bir elek kullanın.

2. Karışımın (otoklavlanmış) kaybını önlemek için düz başlı bir spatula kullanarak hidrojel çözeltisindeki filtrelenmiş hücreleri nazikçe karıştırın.
3. Hücreleri karıştırdıktan sonra kabarcıkları santrifüjleyin
4. Buradan hidrojel tamamlanmıştır ve baskı, kürleme ve gelecekteki deneyler için kullanılabilir.

Kürleme çözeltisi nasıl geliştirilir (0.1M Kalsiyum klorür, CaCl2)

Malzemeler

Kalsiyum klorür

ddH20

Sükroz (ağırlıkça %3)

Prosedür (1 L kürleme solüsyonu yapmak için)

1. 147.01g kalsiyum klorür, 30mL sakaroz ve 1L ddH20 ölçün.
2. Kalsiyum klorür, sakaroz ve ddH20'yi büyük bir beher veya kapta karıştırın.
3. Jeli sertleştirmek için en az 10 dakika sertleştirme solüsyonuna batırın.

Adım 13: Yazdırın

Teoride, Biyobaskı son derece basittir; ancak uygulamada, başarısızlıklara neden olabilecek birçok faktör vardır. Bu jel ile uygulamamızın başarısını en üst düzeye çıkarmak için birkaç şey yapılabileceğini bulduk:

1. Baskı sırasında jeli kısmen sertleştirmek için az miktarda CaCl2 solüsyonu kullanın,
2. Yapışmayı artırmak için petri kabının alt kısmında bir kağıt havlu kullanın.
3. Küçük miktarlarda CaCl2'yi baskının tamamına eşit şekilde yaymak için bir kağıt havlu kullanın.
4. doğru akış hızını bulmak için Repetier'de akış hızı kaydırıcısını kullanın

Farklı uygulamalar ve farklı jeller için farklı tekniklerin kullanılması gerekebilir. Prosedürümüz birkaç ay içinde oluşturuldu. Sabır anahtardır.

Bu projeyi denerseniz ve herhangi bir soru sormaktan çekinmeyin, iyi şanslar.

2019 Arduino Yarışmasında Birincilik Ödülü