Mikrocentrifuge Biomedicinsk udstyr med åben kildekode: 11 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

Dette er et igangværende projekt, der vil blive opdateret med samfundsstøtte og yderligere forskning og instruktion

Målet med dette projekt er at skabe open-source, modulopbygget laboratorieudstyr, der er let at transportere og bygget af billigt fremskaffede dele for at hjælpe med at diagnosticere sygdomme i fjerntliggende og lave infrastrukturområder

Dette vil være et igangværende open source-projekt med det formål at levere en modulær platform til medicinsk udstyr, som let kan ændres og udvides til lave omkostninger

De indledende designs vil være til et modulbatteri og DC-motorpakke og mikrocentrifuge

Det vil søge hjælp fra online open source-fællesskabet til at bistå med støtte, ændringer og yderligere design med henblik på at målrette de individuelle specifikke behov hos sundhedspersonale i fjerntliggende og landlige omgivelser

ANSVARSFRASKRIVELSE: Projektet gennemgår stadig design- og funktionalitetstest og er endnu ikke egnet til NOGEN diagnostisk eller klinisk anvendelse. Elektronik og motorer skal samles og bruges på læserens egen risiko

Trin 1: Problem- og designerklæringer

Problemformulering:

Manglen på adgang til laboratorie- og klinisk udstyr til at hjælpe med diagnosticering og behandling af sygdomme fører til, at mange kan undgås i fjerntliggende og lave infrastrukturområder. Specielt fjerner den manglende adgang til grundlæggende pålidelige centrifuger sundhedsarbejdere til et vigtigt redskab i kampen mod blodbårne patogener som AIDS og malaria.

Designerklæring: At designe en mikrocentrifuge og modulopbygget batteri og DC-motorpakke til at hjælpe med diagnosticering og behandling af sygdomme forårsaget af blodbårne patologier (patogener og parasitter). Ved hjælp af additive fremstillingsteknikker, hvor det er levedygtigt, søger dette design at forbedre bærbarhed og lavere økonomiske barrierer for livreddende teknologier.

Trin 2: Design Begrundelse:

Dette design er rettet mod at producere en mikrocentrifuge, der er egnet til udskiftning i landdistrikter ved at bruge desktop FDM 3D -print, laserskæring og hobby -elektronik. På den måde håber man, at enheden vil være tilgængelig for en lang række sundhedspersonale med varierende adgang til ressourcer.

Ved design af centrifugerotoren (en del af designet, der indeholder reagensglas):

Den påkrævede G-kraft til adskillelse af prøver afhænger af den ønskede prøvetype, med gennemsnitlige kræfter til adskillelse af blod i dets bestanddele i området 1.000-2.000 g (thermofisher.com)

Beregningen af RPM til RFC (G-kraft) kan beregnes ved hjælp af RCF = (rpm) 2 × 1.118 × 10-5 × r, hvor 'r' er rotorens radius (bcf.technion.ac.il)

Trin 3: Designovervejelser

Overvejelser vedrørende additiv fremstilling:

• Dårlig lagadhæsion kan forekomme, hvilket kan resultere i dårlig trækstyrke og beskadigelse af dele

• Egenskaber påkrævet, vil variere med materialer. Nogle tilbyder god lateral belastning og kompressionsstyrke til en lav vægt og pris

• Korrekte indstillinger under udskæringen af G-koden skal anvendes for at sikre, at de ønskede materialegenskaber opnås

• Levetiden for dele, der er produceret ved hjælp af denne teknik, er relativt lav i forhold til dem, der bruger dyrere teknikker og materialer, såsom CNC -fræsemetaller.

• Termoplast har en relativt lav overgangstemperatur, så en lav driftstemperatur skal opretholdes (<ca. 80-90 celcius) • 3D-printede designs med åben kildekode giver brugerne mulighed for at ændre designs, så de passer til deres behov og begrænsninger

Yderligere designbegrænsninger:

• Nogle områder har muligvis ikke tilstrækkelig adgang til strøm, skal muligvis drives af almindelig bærbar solcelle, batterier osv.

• Vibration og balance kan være et problem

• Skal kunne udsende højt omdrejningstal i perioder på op til 15 minutter eller mere, hvilket resulterer i høj mekanisk belastning på nogle dele

• Brugere har muligvis ikke erfaring med brug af udstyr og kræver support for at sænke den tekniske barriere

Trin 4: Initial/Base Module Design

Ovenstående design udnytter pladsen bedst muligt for at give tilstrækkelig plads til interne elektroniske komponenter og sikrer en stor nok radius til forskellige centrifugerotorer og rørstørrelser. Designets "snap sammen" -stil er valgt for at eliminere behovet for støttemateriale under produktionen og for at muliggøre let udskrivning, reparation og fremstilling i både additiv og subtraktiv fremstilling. Derudover reducerer udskrivning af mindre individuelle dele virkningen af trykfejl/fejl og giver mulighed for at bruge et større udvalg af printbedstørrelser.

Ved at udnytte et modulopbygget design kan mange forskellige typer centrifugalskåle sættes på enheden. Hurtige ændringer og produktion af disse dele gennem additiv fremstilling giver mulighed for ændringer i fremstillet G-kraft og bearbejdning af prøvestørrelse/-type. Dette hjælper med at give det en fordel i forhold til traditionelle maskiner og giver en innovativ tilgang til at designe maskiner efter slutbrugerens behov. Ydermere giver ballastbeholdere mulighed for at tilføje støtte og dæmpe vibrationer

Trin 5: Deleliste

3d trykte dele: Filer uploades til Github og thingiverse og opdateres så hurtigt som muligt.

• 1 x spindelskrue
• 1 x rotormøtrik
• 1 x lågmøtrik
• 1 x hovedlåg
• 4 x rotorhus
• 1 x fast vinkelrotor
• 4 x top/bund ballast
• 2 x Sideballast

Elektronik: (Links til produkter snart)

Arduino Nano ($ 8-10)

Stikledninger (<$ 0,2)

Elektronisk hastighedsregulator ($ 8-10)

Børsteløs DC-motor 12V ($ 15-25)

Potentiometer ($ 0,1)

Li-po genopladeligt batteri ($ 15-25)

Trin 6: Udskrivning af dele:

Alle dele er tilgængelige fra github her: Fås også fra thingiverse her:

3d trykte dele: 1 x spindelskrue

1 x rotormøtrik

1 x lågmøtrik

1 x hovedlåg

4 x rotorhus

1 x fast vinkelrotor

4 x top/bund ballast

2 x Sideballast

De generelle udkastsindstillinger fra Cura eller lignende i udvalgte software til skæremaskiner er en god retningslinje for udskrivning af alle krops- og ballastdele.

Trin 7: Montering: Første trin

• Forbered følgende dele til montering som vist:

  • Centrifugeringsbase
  • Komponenthus
  • 4 x rotorhus
• Alle dele skal sidde tæt sammen og være sikret med passende klæbemidler

Trin 8: Montering: Elektroniske komponenter

Forbered følgende elektroniske komponenter til test:

• DC -motor og ECS
• Batteri
• Arduino Nano
• Brødbræt
• Potentiometer
• Jumper ledninger

Kodning og instruktion til arduino kan findes her:

Artikel af

Testmotoren kører problemfrit og reagerer på potentiometeret. Hvis det er tilfældet, skal du installere elektronikken i huset og teste, at motoren kører jævnt og med lidt vibrationer.

Billeder af den nøjagtige placering tilføjes snart.

Trin 9: Montering: Montering af rotor og spinderskrue

Saml rotor, ruller, Spinner og spinner nødder.

Sørg for, at alle dele har en god pasform. Slibning kan hjælpe, hvis pasformen er for stram.

Sørg for, at rotoren har en jævn bane og ikke springer eller vakler for meget. Et fladt fad kan udskrives eller skæres i akryl for at hjælpe med stabilitet, hvis det er nødvendigt.

Når dele er underlagt slibning og montering, skal du fastgøre spinneskruen til motorspindlen og fastgøre rotoren med møtrikkerne som vist.

Rotor kan fjernes til losning og indlæsning af prøver eller til ændring af rotortyper.

Trin 10: Montering: Ballast og låg

Saml top- og sideballastbeholdere, disse vil fungere som støtte, vægtning og vibrationsdæmpning.

Dele skal passe sammen og forblive på plads, når de er fyldt. Om nødvendigt kan dele sikres sammen med superlim eller lignende klæbemiddel.

Hovedlåget over rotoren skal sidde godt fast, når det fastgøres med den øverste rotormøtrik.

Dele skal passe som vist på billedet.

Trin 11: Konklusion

Fjernbetjente sundhedspersonale står over for udfordringen med økonomiske og logistiske barrierer forbundet med at skaffe og vedligeholde vitale medicinske og diagnostiske apparater og dele. Manglende adgang til grundudstyr såsom centrifuger og pumpesystemer kan føre til fatale ventetider og fejldiagnose.

Dette design har opfyldt det ønskede resultat ved at vise, at det er muligt at oprette et åbent medicinsk udstyr (en mikrocentrifuge) ved hjælp af desktop-fremstillingsteknikker og grundlæggende elektroniske komponenter. Det kan produceres til en tiendedel af omkostningerne ved kommercielt tilgængelige maskiner og let repareres eller adskilles, for at dele kan bruges i andre enheder, hvilket reducerer økonomiske barrierer. De elektroniske komponenter giver konstant pålidelig strøm til den tid, der kræves til behandling af de mest almindelige blodprøver, hvilket giver bedre diagnostik end hånddrevne eller udløbsenheder i områder med lav infrastruktur. Gennemførligheden af dette design har et fremtidigt potentiale i udviklingen af en modulopbygget platform med medicinsk udstyr, der anvender et kernesæt med komponenter til at drive forskelligt udstyr, såsom peristaltiske pumper, eller som i dette design, mikrocentrifuger. Med oprettelsen af et bibliotek med open source -filer kunne adgang til en enkelt FDM -printer bruges til at producere en række dele, med lidt viden om design, der kræves af slutbrugeren. Dette ville fjerne de logistiske problemer i forbindelse med forsendelse af grundlæggende komponenter, hvilket sparer tid og liv.