Lavpris bioprinter: 13 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Vi er et forskersteam ledet av UC Davis. Vi er en del av BioInnovation Group, som opererer i TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (rådgivere Dr. Marc Facciotti og Andrew Yao, MS). Laboratoriet samler studenter med ulik bakgrunn for å jobbe med dette prosjektet (mek/kjemisk/biomed engineering).

Litt bakgrunn på dette prosjektet er at vi begynte å skrive ut transgene risceller i samarbeid med Dr. Karen McDonald ved ChemE-avdelingen med målet om å utvikle en billig bioprinter for å gjøre biotrykk mer tilgjengelig for forskningsinstitusjoner. For øyeblikket koster low-end bioprintere omtrent $ 10 000, mens high-end bioprinters koster omtrent $ 170 000. I kontrast kan skriveren vår bli bygget for omtrent $ 375.

Rekvisita

Deler:

1. Ramper 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Steppermotordrivere:
4. Ekstra trinnmotor (valgfritt)
5. Makerbjelke 2 i X 1 in
6. Maker bjelke festemaskinvare
7. M3 -skruer i forskjellige størrelser
8. M3 muttere x2
9. 8 mm gjengestang
10. 8 mm mutter
11. 608 lager
12. Festeklemme
13. Filament
14. Monoprice V2
15. Glidelås
16. M3 varmesettmuttere 2 mm bredde

Verktøy:

1. Bor i forskjellige størrelser
2. Hånddrill
3. Drill presse
4. Hacksag
5. Loddejern + loddetinn
6. Wire stripper
7. Nål nesetang
8. Sekskantnøkler i forskjellige størrelser

Laboratorieutstyr:

1. Petriskåler ~ 70 mm diameter
2. 60 ml sprøyte med Luer-lock spiss
3. 10 ml sprøyte med Luer-lock spiss
4. Luer-lock beslag
5. Slange for beslag
6. T Kobling for slange
7. Sentrifuger
8. Sentrifugerør 60 ml
9. Skala
10. Vei båter
11. Autoklav
12. Bikers
13. Uteksaminert sylinder
14. 0,1 M CaCl2 -løsning
15. Agarose
16. Alginat
17. Metylcellulose
18. Sukrose

Programvare:

1. Fusion 360 eller Solidworks
2. Arduino IDE
3. Repetier -vert
4. Ultimaker Cura 4

Trinn 1: Velge en 3D -skriver

Vi valgte Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 som den startende 3D -skriveren. Denne skriveren ble valgt på grunn av den lave prisen og høye tilgjengeligheten. I tillegg var en svært nøyaktig 3D -modell av skriveren allerede tilgjengelig, noe som gjorde designet enklere. Denne instruksen vil bli skreddersydd for denne spesifikke skriveren, men en lignende prosess kan brukes til å konvertere andre vanlige FDM -skrivere og CNC -maskiner.

Modell med høy nøyaktighet:

Trinn 2: 3D -utskrift

Før demontering av Monoprice -skriveren må flere deler 3D -skrives ut for endring av 3D -skriveren. Det finnes versjoner av limekstruderne, en som krever epoxy og en som ikke gjør det. Den som krever epoksy er mer kompakt, men vanskeligere å montere.

Trinn 3: Forbered skriveren for endring

Det fremre tårnpanelet, bunndekselet og kontrollpanelet bør fjernes. Når bunnen er fjernet, kobler du all elektronikk fra kontrollkortet og fjerner kontrollkortet.

Trinn 4: Utskiftbart feste

Kropp 1 og kropp 14 krever to varmemuttere. Kropp 1 er montert på skriverrammen av de to M3 -boltene som er gjemt under beltet. Boltene kan avsløres ved å fjerne beltestrammeren og trekke beltet til en side.

Trinn 5: Z -aksebryter

Z-aksen-bryteren er plassert på nytt slik at en hvilken som helst lengdenål kan brukes under homing-sekvensen uten å kompensere i programvaren. Bryteren skal monteres med 2 M3 -skruer på skriverkabinettet rett under skrivehodet så nær utskriftssengen som mulig.

Trinn 6: Kabling

Kablingene gjøres i henhold til Ramps 1.4 -standardene. Bare følg koblingsskjemaet. Klipp av og tinn ledninger etter behov for rekkeklemmer. Noen ledninger må kanskje forlenges.

Trinn 7: Epoksyekstruder

Selv om denne ekstruderen tar mindre tid å skrive ut, bruker den epoksy som øker den totale byggetiden til over 24 timer. Den 8 mm gjengede stangen skal epokses til 608 -lageret og lageret skal epokses til det 3D -trykte stykket Body 21. I tillegg skal mutteren til gjengestangen epoxies til Body 40. Når epoksyen er fullstendig herdet, skal gummien tips fra sprøytepluggene på 60 ml og 10 ml kan monteres på henholdsvis Body 9 og Body 21. En passende T -passform ble ikke funnet, så en rå ble laget av 6 mm messingrør og loddetinn. Ekstruderen fungerer som et hydraulisk system som skyver Bioink ut av det nedre kammeret på 10 ml sprøyten. Luft kan evakueres ut av systemet ved å riste rørene kraftig mens du holder T -koblingen på det høyeste punktet.

Trinn 8: Vanlig limekstruder

Denne ekstruderen kan ganske enkelt boltes sammen. Ulempen med denne ekstruderen er at den er tyngre og har høy tilbakeslag.

Trinn 9: Trinn 9: Arduino -fastvare

Arduino trenger fastvare for å kjøre trinndriverne og annen elektronikk. Vi valgte Marlin ettersom det er gratis, enkelt å endre med Arduino IDE og godt støttet. Vi har endret fastvaren for vår spesifikke maskinvare, men det er ganske enkelt å endre for andre skrivere fordi all koden er kommentert og tydelig forklart. Dobbeltklikk på filen MonopriceV2BioprinterFirmware.ino for å åpne konfigurasjonsfilene for marlin.

Trinn 10: Cura -profil

Cura -profilen kan importeres til Ultimaker Cura 4.0.0 og brukes til å lage masker med høy overflate for bruk i en overflødighetsreaktor. Generasjonen av Gcode for skriveren er fortsatt svært eksperimentell og krever mye tålmodighet. Det er også vedlagt en test -gkode for en sirkulær profusjonsreaktor.

Trinn 11: Endre Start G-kode

Lim inn denne koden i start-G-kodeinnstillingen:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

I Repetier, for å endre start Gcode, gå til slicer-> Configuration-> G-codes-> start G-codes. Det er nødvendig å endre G92 Z-verdien for hvert enkelt tilfelle. Øk verdien sakte til nålen er ønsket avstand fra petriskålens overflate i begynnelsen av utskriften.

Trinn 12: Lag Bioink

Prosessen for å utvikle en Bioink egnet for en applikasjon er kompleks. Dette er prosessen vi fulgte:

Sammendrag

Hydrogel er egnet for skjærfølsomme planteceller og har åpne makroporer for å tillate diffusjon. Hydrogelen lages ved å oppløse agarose, alginat, metylcellulose og sukrose i avionisert vann og tilsette celler. Gelen er tyktflytende til den er herdet med 0,1 M kalsiumklorid, noe som gjør den solid. Den kalsiumkloridherdende løsningen tverrbinder med alginatet for å gjøre den solid. Alginatet er basen i gelen, metylcellulosen homogeniserer gelen, og agarosen gir mer struktur siden den gelerer ved romtemperatur. Sukrose gir mat til cellene for å fortsette å vokse i hydrogel.

En kort oversikt over noen av forsøkene for å verifisere gelen

Vi testet forskjellige hydrogeler med varierende mengder agarose og registrerte konsistensen, hvor lett den ble skrevet ut, og om den sank eller fløt i herdeløsningen. Å redusere alginatprosenten gjorde gelen for flytende og den klarte ikke å beholde formen etter utskrift. Å øke alginatprosenten fikk herdingsløsningen til å fungere så raskt at gelen ville herde før den ble festet til det øverste laget. En hydrogel som holder formen og ikke herder for raskt, ble utviklet med 2,8 vekt% alginat.

Hvordan utvikle en hydrogel

Materialer

Agarose (0,9 vekt %)

Alginat (2,8 vekt %)

Metylcellulose (3,0 vekt%)

Sukrose (3,0 vekt%)

Kalsiumklorid. 1M (147,001 g/mol)

ddH20

celleaggregater

2 vaskede og tørkede kopper

1 Blandingsspatel

Aluminiumsfolie

Vektpapir i plast

Uteksaminert sylinder

Fremgangsmåte

Gjør Hydrogel:

1. Mål ut en bestemt mengde ddH20 basert på hvor mye gelløsning du vil tilberede. Bruk graderte sylinder for å oppnå et bestemt volum på ddH20.
2. Hydrogeloppløsningen vil inneholde Alginat (2,8 vekt %)), Agarose (0,9 vekt %), sukrose (3 vekt %) og metylcellulose (3 vekt %). Riktige deler av komponentene i hydrogeloppløsningen måles ved hjelp av plastpapiret.
3. Når du er ferdig med å veie alle komponentene, tilsetter du ddh20, sukrose, agarose og til slutt natriumalginat til et av de tørre begerglassene. Virvle for å blande, men ikke bruk en slikkepott for å blande fordi pulveret vil feste seg til slikkepotten.
4. Etter blanding pakkes toppen av begeret med aluminiumsfolie ordentlig og merkes begeret. Legg et stykke autoklavbånd på toppen av folien.
5. Ha den gjenværende metylcellulosen i det andre tørke begeret og pakk det inn i aluminiumsfolie som det forrige begerglasset. Merk dette begeret og legg til et stykke autoklavbånd på toppen av folien.
6. Pakk 1 slikkepott i aluminiumsfolie og sørg for at ingen av den blir utsatt. Legg autoklavbånd til den innpakket spatelen.
7. Autoklav de 2 begerene og 1 slikkepott ved 121 C i 20 minutter under steriliseringssyklusen. IKKE BRUK AUTOKLAVEN I EN STERIL OG TØRRSYKLUS.
8. Når autoklavsyklusen er fullført, la gelen avkjøles til romtemperatur, og når den har nådd den, begynner du å operere i det biologiske sikkerhetskabinettet.
9. Sørg for å vaske hender og armer og bruk riktig aseptisk teknikk når du har vært i biosikkerhetsskapet. Sørg også for å ikke komme i direkte kontakt med gjenstander som vil berøre gelen eller være nær gelen (f.eks. Blandingsenden av slikkepotten eller området til aluminiumsfoliene som sitter over gelen)
10. Bland metylcellulosen i gelen i biosikkerhetsskapet for å få en homogen spredning. Når blandingen er ferdig, pakker du den øvre blandede geloppløsningen på nytt og legger den i kjøleskapet over natten.
11. Herfra kan gelen brukes til introduksjon av cellene eller til annen bruk som utskrift.

Legge til cellene:

1. Filtrer cellene slik at de har samme størrelse. Vår prosedyre for filtrering er

   Skrap cellene lett av petriskålen og bruk en sil på 380 mikrometer for å filtrere cellene.

2. Bland de filtrerte cellene forsiktig i hydrogeloppløsningen ved hjelp av en flat hodespatel for å unngå tap av blandingen (som har blitt autoklavert).
3. Etter blanding av cellene sentrifugeres bobler
4. Herfra er hydrogelen komplett og kan brukes til utskrift, herding og fremtidige eksperimenter.

Hvordan utvikle herdeoppløsningen (0,1 M kalsiumklorid, CaCl2)

Materialer

Kalsiumklorid

ddH20

Sukrose (3 vekt %)

Fremgangsmåte (for å lage 1L herding løsning)

1. Mål 147,01 g kalsiumklorid, 30 ml sukrose og 1 liter ddH20.
2. Bland kalsiumklorid, sukrose og ddH20 i et stort beger eller en beholder.
3. Senk gelen i herdeoppløsningen i minst 10 minutter for å herde.

Trinn 13: Skriv ut

I teorien er Bioprinting ekstremt enkelt; men i praksis er det mange faktorer som kan forårsake feil. Med denne gelen har vi funnet ut at flere ting kan gjøres for å maksimere suksessen for applikasjonen vår:

1. Bruk små mengder CaCl2 -løsning for å herde gelen delvis under utskrift,
2. Bruk et tørkepapir i bunnen av petriskålen for å øke vedheftet
3. Bruk et papirhåndkle for å jevnt fordele små mengder CaCl2 over hele utskriften
4. bruk glidebryteren for strømningshastighet i Repetier for å finne riktig strømningshastighet

For forskjellige applikasjoner og forskjellige geler kan det være nødvendig å bruke forskjellige teknikker. Prosedyren vår ble generert over flere måneder. Tålmodighet er nøkkelen.

Lykke til hvis du prøver dette prosjektet og gjerne stille spørsmål.

Førstepremie i Arduino -konkurransen 2019