Lavpris bioprinter: 13 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Vi er et undergrad-ledet forskerhold på UC Davis. Vi er en del af BioInnovation Group, der opererer i TEAM Molecular Prototyping and BioInnovation Lab (rådgivere Dr. Marc Facciotti og Andrew Yao, MS). Laboratoriet samler studerende med forskellige baggrunde til at arbejde med dette projekt (mek/kemisk/biomed teknik).

Lidt baggrund for dette projekt er, at vi begyndte at udskrive transgene risceller i samarbejde med Dr. Karen McDonald fra ChemE-afdelingen med det formål at udvikle en billig bioprinter til at gøre bioprinting mere tilgængelig for forskningsinstitutioner. I øjeblikket koster low-end bioprintere cirka $ 10.000, mens high-end bioprinters koster cirka $ 170.000. Derimod kan vores printer bygges til cirka $ 375.

Forbrugsvarer

Dele:

1. Ramper 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Trinmotordrivere:
4. Yderligere trinmotor (valgfri)
5. Makerbjælke 2 i X 1 in
6. Maker bjælke fastgørelse hardware
7. M3 skruer i forskellige størrelser
8. M3 møtrikker x2
9. 8 mm gevindstang
10. 8 mm møtrik
11. 608 leje
12. Binderklip
13. Filament
14. Monoprice V2
15. Lynlåse
16. M3 varmesætmøtrikker 2 mm bredde

Værktøjer:

1. Bor i forskellige størrelser
2. Håndbor
3. Boremaskine
4. Hacksav
5. Loddejern + loddetin
6. Wire stripper
7. Nålestang
8. Sekskantnøgler i forskellige størrelser

Laboratorieforsyninger:

1. Petriskåle ~ 70 mm diameter
2. 60 ml sprøjte med Luer-lock spids
3. 10 ml sprøjte med Luer-lock spids
4. Luer-lås beslag
5. Slange til beslag
6. T Stik til slanger
7. Centrifuger
8. Centrifugerør 60 ml
9. vægt
10. Vejer både
11. Autoklav
12. Bikere
13. Uddannet cylinder
14. 0,1 M CaCl2 -opløsning
15. Agarose
16. Alginat
17. Methylcellulose
18. Saccharose

Software:

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

Trin 1: Valg af en 3D -printer

Vi valgte Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 som startende 3D -printer. Denne printer blev valgt på grund af den lave pris og den høje tilgængelighed. Derudover var der allerede en meget præcis 3D -model af printeren tilgængelig, hvilket gjorde designet lettere. Denne instruks vil blive skræddersyet til denne specifikke printer, men en lignende proces kan bruges til at konvertere andre almindelige FDM -printere og CNC -maskiner.

Model med høj nøjagtighed:

Trin 2: 3D -udskrivning

Inden demontering af Monoprice -printeren skal flere dele 3D -printes for at ændre 3D -printeren. Der er versioner af pastaekstruderne, en der kræver epoxy og en der ikke gør det. Den, der kræver epoxy, er mere kompakt, men vanskeligere at samle.

Trin 3: Forbered printeren til ændring

Fronttårnpanelet, bunddækslet og kontrolpanelet skal fjernes. Når bunden er fjernet, skal du afbryde al elektronik fra kontrolkortet og fjerne kontrolkortet.

Trin 4: Udskifteligt beslag

Krop 1 og krop 14 kræver hver to varmemøtrikker. Krop 1 er monteret på printerrammen af de to M3 bolte, der er skjult under bæltet. Boltene kan afsløres ved at fjerne selestrammeren og trække selen til den ene side.

Trin 5: Z -aksekontakt

Z-akseomskifteren er flyttet, så enhver nål i længden kan bruges under homing-sekvensen uden at kompensere i softwaren. Omskifteren skal monteres med 2 M3 -skruer på printerchassiset direkte under skrivehovedet så tæt på printsengen som muligt.

Trin 6: Ledningsføring

Ledningerne foretages i overensstemmelse med Ramps 1.4 -standarderne. Følg blot ledningsdiagrammet. Afskær og tin ledninger efter behov til klemmerne. Nogle ledninger skal muligvis forlænges.

Trin 7: Epoxy -ekstruder

Selvom denne ekstruder tager mindre tid at udskrive, bruger den dog epoxy, hvilket øger den samlede byggetid til over 24 timer. Den 8 mm gevindstang skal epoxes til 608 -lejet, og lejet skal epoxies til det 3D -trykte stykke Body 21. Derudover skal møtrikken til gevindstangen epoxies til Body 40. Når epoxyen er fuldstændig hærdet, skal gummien spidser fra sprøjtestemplerne på 60 ml og 10 ml kan monteres over henholdsvis Body 9 og Body 21. Der kunne ikke findes en passende T -beslag, så en rå blev lavet af 6 mm messingrør og loddetin. Ekstruderen fungerer som et hydraulisk system, der skubber Bioink ud af det nedre kammer på 10 ml sprøjten. Luft kan evakueres ud af systemet ved kraftigt at ryste rørene, mens T -armaturet holdes på det højeste punkt.

Trin 8: Regelmæssig indsæt ekstruder

Denne ekstruder kan simpelthen boltes sammen. Ulempen ved denne ekstruder er, at den er mere voluminøs og har høj modreaktion.

Trin 9: Trin 9: Arduino -firmware

Arduino har brug for firmware til at køre stepper -driverne og anden elektronik. Vi valgte Marlin, da den er gratis, let ændret med Arduino IDE og godt understøttet. Vi har ændret firmwaren til vores specifikke hardware, men det er ganske enkelt at ændre for andre printere, fordi al koden er kommenteret og klart forklaret. Dobbeltklik på filen MonopriceV2BioprinterFirmware.ino for at åbne marlin -konfigurationsfilerne.

Trin 10: Cura -profil

Cura -profilen kan importeres til Ultimaker Cura 4.0.0 og bruges til at lave masker med højt overfladeareal til brug i en overflodreaktor. Generationen af Gcode til printeren er stadig meget eksperimentel og kræver meget tålmodighed. Der er også vedhæftet en test gcode til en cirkulær profusionreaktor.

Trin 11: Ændring af Start G-kode

Indsæt denne kode i start-G-kodeindstillingen:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

I Repetier, for at ændre start Gcode, gå til slicer-> Configuration-> G-codes-> start G-codes. Det er nødvendigt at ændre G92 Z-værdien for hvert enkelt tilfælde. Øg langsomt værdien, indtil nålen er den ønskede afstand fra petriskålens overflade i starten af udskriften.

Trin 12: Lav bioink

Processen til at udvikle en Bioink, der er egnet til en applikation, er kompleks. Dette er den proces, vi fulgte:

Resumé

Hydrogelen er velegnet til forskydningsfølsomme planteceller og har åbne makroporer for at muliggøre diffusion. Hydrogelen fremstilles ved at opløse agarose, alginat, methylcellulose og saccharose i deioniseret vand og tilføje celler. Gelen er tyktflydende, indtil den er hærdet med 0,1 M calciumchlorid, hvilket gør den robust. Calciumchloridhærdningsløsningen tværbinder med alginatet for at gøre det robust. Alginatet er gelens base, methylcellulosen homogeniserer gelen, og agarosen giver mere struktur, da den gelerer ved stuetemperatur. Saccharosen giver mad til cellerne for at fortsætte med at vokse i hydrogel.

En kort oversigt over nogle af eksperimenterne for at verificere gelen

Vi testede forskellige hydrogeler med varierende mængder agarose og registrerede dets konsistens, hvor let det blev udskrevet, og om det sank eller flød i hærdningsløsningen. Fald i alginatprocenten gjorde gelen for flydende, og den var ikke i stand til at beholde sin form efter udskrivning. Forøgelse af alginatprocenten fik hærdningsopløsningen til at fungere så hurtigt, at gelen ville hærde, før den holdt sig til det øverste lag. En hydrogel, der holder sin form og ikke hærder for hurtigt, blev udviklet ved hjælp af 2,8 vægt% alginat.

Sådan udvikles en hydrogel

Materialer

Agarose (0,9 vægtprocent)

Alginat (2,8 vægtprocent)

Methylcellulose (3,0 vægt%)

Saccharose (3,0 vægtprocent)

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

ddH20

celleaggregater

2 vaskede og tørrede bæger

1 blandingsspatel

Sølvpapir

Vejepapir i plast

Uddannet cylinder

Procedure

Fremstilling af hydrogel:

1. Mål en bestemt mængde ddH20 ud fra, hvor meget gelopløsning du vil forberede. Brug den graduerede cylinder til at opnå et bestemt volumen på ddH20.
2. Hydrogelopløsningen indeholder Alginat (2,8 vægt %)), Agarose (0,9 vægt %), saccharose (3 vægt %) og methylcellulose (3 vægt %). Korrekte dele af komponenterne i hydrogelopløsningen måles ved hjælp af plastpapiret.
3. Når du er færdig med at afveje alle komponenter, tilsættes ddh20, saccharose, agarose og til sidst natriumalginat til et af de tørre bægerglas. Swirl for at blande, men brug ikke en spatel til at blande, fordi pulveret vil klæbe til spatelen.
4. Når det er blandet, skal du pakke toppen af bægeret med aluminiumsfolie ordentligt og mærke bægeret. Tilføj et stykke autoklavbånd til toppen af folien.
5. Læg den resterende methylcellulose i det andet tør bægerglas og pak det ind i aluminiumsfolie som det foregående bæger. Mærk dette bægerglas og tilføj et stykke autoklavbånd til toppen af folien.
6. Pak 1 spatel ind i aluminiumsfolie, og sørg for, at ingen af den er udsat. Tilføj autoklavbånd til den indpakkede spatel.
7. Autoklaver de 2 bæger og 1 spatel ved 121 C i 20 minutter under steriliseringscyklussen. BRUG IKKE AUTOCLAVEN I EN STERIL & TØR CYKLUS.
8. Når autoklavcyklussen er fuldført, lad gelen afkøle til stuetemperatur, og når den har nået den, skal du begynde at arbejde i det biologiske sikkerhedskabinet.
9. Sørg for at vaske dine hænder og arme, og brug korrekt aseptisk teknik, når du har arbejdet i biosikkerhedskabinettet. Sørg også for ikke at komme i direkte kontakt med genstande, der berører gelen eller er tæt på gelen (f.eks. Blandingsenden af spatelen eller området af aluminiumsfolierne, der sidder over gelen)
10. I biosikkerhedskabinettet blandes methylcellulosen i gelen for at få en homogen spredning. Når blandingen er færdig, pakkes den blandede gelopløsning op igen og stilles i køleskabet natten over.
11. Herfra kan gelen bruges til introduktion af cellerne eller til andre anvendelser som tryk.

Tilføjelse af cellerne:

1. Filtrer cellerne, så de har samme størrelse. Vores procedure for filtrering er

   Skrab let cellerne af petriskålen og brug en 380 mikrometer sigte til at filtrere cellerne.

2. Bland forsigtigt de filtrerede celler i hydrogelopløsningen ved hjælp af en fladt hovedspatel for at undgå tab af blandingen (der er blevet autoklaveret).
3. Efter blanding centrifugeres cellerne af bobler
4. Herfra er hydrogel komplet og kan bruges til udskrivning, hærdning og fremtidige forsøg.

Sådan udvikles hærdningsløsningen (0,1 M calciumchlorid, CaCl2)

Materialer

Kalcium Klorid

ddH20

Saccharose (3 vægtprocent)

Fremgangsmåde (til fremstilling af 1L hærdningsløsning)

1. Mål 147,01 g calciumchlorid, 30 ml saccharose og 1 L ddH20.
2. Bland calciumchlorid, saccharose og ddH20 i et stort bæger eller en beholder.
3. Nedsænk gelen i hærdningsopløsningen i mindst 10 minutter for at hærde.

Trin 13: Udskriv

I teorien er Bioprinting ekstremt enkel; i praksis er der imidlertid mange faktorer, der kan forårsage fejl. Med denne gel har vi fundet ud af, at flere ting kan gøres for at maksimere succes for vores applikation:

1. Brug små mængder CaCl2 -opløsning til delvist at hærde gelen under udskrivning,
2. Brug et køkkenrulle i bunden af petriskålen for at øge vedhæftningen
3. Brug et køkkenrulle til jævnt at sprede små mængder CaCl2 ud over hele printet
4. Brug skyderen for flowhastighed i Repetier for at finde den korrekte flowhastighed

Til forskellige applikationer og forskellige geler skal der muligvis bruges forskellige teknikker. Vores procedure blev genereret over flere måneder. Tålmodighed er nøglen.

Held og lykke, hvis du prøver dette projekt og er velkommen til at stille spørgsmål.

Første præmie i Arduino -konkurrencen 2019