Mababang Gastos na Bioprinter: 13 Mga Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Kami ay isang undergrad-led na pangkat ng pananaliksik sa UC Davis. Bahagi kami ng BioInnovation Group, na nagpapatakbo sa TEAM Molecular Prototyping at BioInnovation Lab (Advisers Dr. Marc Facciotti, at Andrew Yao, M. S.). Pinagsasama-sama ng lab ang mga mag-aaral ng magkakaibang mga background upang magtrabaho sa proyektong ito (mech / kemikal / biomed engineering).

Ang kaunting background sa proyektong ito ay nagsimula kaming mag-print ng mga transgenic rice cell na nakikipagtulungan kay Dr. Karen McDonald ng departamento ng ChemE na may layuning bumuo ng isang bioprinter na may mababang gastos upang gawing mas madaling ma-access ang bioprinting sa mga institusyon ng pananaliksik. Sa kasalukuyan, ang mga low-end bioprinter ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang na $ 10, 000 habang ang mga high-end bioprinter ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang na $ 170, 000. Sa kaibahan, ang aming printer ay maaaring mabuo ng humigit-kumulang na $ 375.

Mga gamit

Mga Bahagi:

1. Rampa 1.4:
2. Arduino mega 2560:
3. Mga driver ng stepper motor:
4. Karagdagang stepper motor (opsyonal)
5. Maker beam 2 sa X 1 sa
6. Hardware ng attachment ng beam beam
7. Ang mga M3 turnilyo ay iba't ibang laki
8. M3 mani x2
9. 8 mm na sinulid na tungkod
10. 8 mm na nut
11. 608 tindig
12. Binder clip
13. Filament
14. Monoprice V2
15. Mga kurbatang zip
16. Ang set ng init ng M3 ay 2mm ang lapad

Mga tool:

1. Mag-drill ng mga iba't ibang laki
2. Hand Drill
3. Drill press
4. Hacksaw
5. Panghinang + solder
6. Wire stripper
7. Mga karayom sa ilong
8. Hex key iba't ibang laki

Mga supply ng lab:

1. Mga pinggan ng Petri ~ 70mm diameter
2. 60 ML syringe na may tip ng Luer-lock
3. 10 ML syringe na may tip ng Luer-lock
4. Mga kabit na Luer-lock
5. Tubing para sa mga kabit
6. T Connector para sa tubing
7. Centrifuge
8. Centrifuge tubes 60ml
9. Kaliskis
10. Tumimbang ng mga bangka
11. Autoclave
12. Mga beaker
13. Nagtapos na silindro
14. Solusyon ng 0.1M CaCl2
15. Agarose
16. Alginate
17. Methylcellulose
18. Sucrose

Software:

1. Fusion 360 o Solidworks
2. Arduino IDE
3. Umuulit na Host
4. Ultimaker Cura 4

Hakbang 1: Pagpili ng isang 3D Printer

Pinili namin ang Monoprice MP Select Mini 3D Printer V2 bilang panimulang 3D printer. Napili ang printer na ito dahil sa mababang gastos at mataas na kakayahang magamit. Bilang karagdagan, ang isang lubos na tumpak na 3D na modelo ng printer ay magagamit na kung saan ginawang mas madali ang disenyo. Ang itinuturo na ito ay maiakma para sa tukoy na printer na ito ngunit maaaring magamit ang isang katulad na proseso upang ma-convert ang iba pang mga karaniwang FDM printer at mga makina ng CNC.

Mataas na modelo ng katumpakan:

Hakbang 2: Pag-print sa 3D

Bago i-disassemble ang Monoprice printer, maraming bahagi ang kailangang 3D na naka-print para sa pagbabago ng 3D printer. Mayroong mga bersyon ng i-paste ang mga extruder, isa na nangangailangan ng epoxy at isa na hindi. Ang isa na nangangailangan ng epoxy ay mas compact ngunit mas mahirap na tipunin.

Hakbang 3: Ihanda ang Printer para sa Pagbabago

Dapat alisin ang front tower panel, ilalim na takip at ang control panel. Kapag natanggal ang ilalim, idiskonekta ang lahat ng electronics mula sa control board at alisin ang control board.

Hakbang 4: Mapapalitan na Bundok

Ang Katawan 1 at Katawan 14 bawat isa ay nangangailangan ng dalawang mga heat set nut. Ang Katawan 1 ay naka-mount sa frame ng printer ng dalawang M3 bolts na nakatago sa ilalim ng sinturon. Ang bolts ay maaaring maipakita sa pamamagitan ng pag-alis ng belt tensioner at paghila ng sinturon sa isang gilid.

Hakbang 5: Lumipat ng Z Axis

Ang switch ng Z-axis ay muling ipinoposisyon upang ang anumang haba ng karayom ay maaaring magamit sa panahon ng pagkakasunud-sunod ng homing nang hindi binabayaran ang software. Ang switch ay dapat na naka-mount na may 2 M3 turnilyo sa chassis ng printer nang direkta sa ilalim ng printhead na malapit sa print bed hangga't maaari.

Hakbang 6: Mga kable

Ang mga kable ay tapos na alinsunod sa mga pamantayan ng Ramp 1.4. Sundin lamang ang diagram ng mga kable. Putulin at i-wire ang mga wire kung kinakailangan para sa mga bloke ng terminal. Ang ilang mga wire ay maaaring kailanganin na palawigin.

Hakbang 7: Epoxy Extruder

Habang ang extruder na ito ay tumatagal ng mas kaunting oras upang mai-print, gumagamit ito ng epoxy na nagdaragdag ng kabuuang oras ng pagbuo ng higit sa 24hrs. Ang 8mm threaded rod ay dapat na epoxied sa 608 tindig at ang tindig ay dapat na epoxied sa 3D naka-print na piraso ng Katawan 21. Bilang karagdagan, ang nut para sa sinulid na pamalo ay dapat na epoxied sa Katawan 40. Kapag ang epoxy ay ganap na gumaling, ang goma ang mga tip mula sa 60ml at 10 ml na syringe plunger ay maaaring mailagay sa Body 9 at Body 21, ayon sa pagkakabanggit. Ang isang naaangkop na angkop na T ay hindi matagpuan kaya't ang isang krudo ay ginawa mula sa 6mm na tubo na tanso at panghinang. Ang extruder ay gumaganap bilang isang haydroliko system na tinutulak ang Bioink palabas ng mas mababang silid ng 10 ml na hiringgilya. Ang hangin ay maaaring alisin mula sa system sa pamamagitan ng masiglang pag-alog ng mga tubo habang hawak ang T na naaangkop sa pinakamataas na punto.

Hakbang 8: Regular na Paste Extruder

Ang extruder na ito ay maaaring simpleng bolt magkasama. Ang downside sa extruder na ito ay ito ay mas malaki at may mataas na backlash.

Hakbang 9: Hakbang 9: Arduino Firmware

Ang Arduino ay nangangailangan ng firmware upang patakbuhin ang mga stepper driver at iba pang electronics. Pinili namin si Marlin dahil libre ito, madaling mabago gamit ang Arduino IDE at suportado ng maayos. Binago namin ang firmware para sa aming tukoy na hardware ngunit medyo simple itong baguhin para sa iba pang mga printer dahil ang lahat ng code ay nagkomento at malinaw na ipinaliwanag. I-double click ang MonopriceV2BioprinterFirmware.ino file upang buksan ang mga file ng pagsasaayos ng marlin.

Hakbang 10: Profile sa Cura

Ang profile ng Cura ay maaaring mai-import sa Ultimaker Cura 4.0.0 at ginagamit upang makagawa ng mga meshes ng mataas na lugar para magamit sa isang profusion reactor. Ang henerasyon ng Gcode para sa printer ay pa rin lubos na pang-eksperimento at nangangailangan ng labis na pasensya. Nakalakip din ay isang pagsubok na gcode para sa isang pabilog na reaksyon ng profusion.

Hakbang 11: Pagbabago ng Start G-code

Idikit ang code na ito sa pagsisimula ng setting ng G-code:

G1 Z15

G28

G1 Z20 F3000

G92 Z33.7

G90

M82

G92 E0

Sa Repetier, upang mabago ang pagsisimula ng Gcode pumunta sa slicer-> Configuration-> G-code-> simulan ang G-codes. Kinakailangan upang baguhin ang halagang G92 Z para sa bawat partikular na kaso. Dahan-dahang taasan ang halaga hanggang sa karayom ang nais na distansya mula sa ibabaw ng pinggan ng Petri sa simula ng pag-print.

Hakbang 12: Paggawa ng Bioink

Ang proseso para sa pagbuo ng isang Bioink na angkop para sa isang aplikasyon ay kumplikado. Ito ang proseso na sinundan namin:

Buod

Ang hydrogel ay angkop para sa mga shear-sensitive na cell ng halaman at may bukas na macropores upang payagan ang pagsasabog. Ang hydrogel ay ginawa sa pamamagitan ng paglusaw ng agarose, alginate, methylcellulose, at sucrose sa deionized water at pagdaragdag ng mga cells. Ang gel ay malapot hanggang sa magaling ito sa 0.1M calcium chloride, na ginagawang matibay. Ang solusyon ng calcium chloride na paggamot ng mga cross-link sa alginate upang gawin itong matibay. Ang alginate ay ang batayan ng gel, ang methylcellulose ay homogenize ang gel, at ang agarose ay nagbibigay ng higit na istraktura dahil nag-gels ito sa temperatura ng kuwarto. Ang sucrose ay nagbibigay ng pagkain para sa mga cell na patuloy na lumaki sa hydrogel.

Isang maikling pangkalahatang ideya ng ilan sa mga eksperimento upang mapatunayan ang gel

Sinubukan namin ang iba't ibang mga hydrogel na may iba't ibang halaga ng agarose at naitala ang pagkakapare-pareho nito, kung gaano kadali ito nai-print, at kung lumubog o lumutang ito sa solusyon sa paggamot. Ang pagbawas ng porsyento ng alginate ay nagawang likido ang gel at hindi nito mapanatili ang hugis nito pagkatapos ng pag-print. Ang pagdaragdag ng porsyento ng alginate ay gumawa ng mabilis na solusyon sa paggamot, na gagaling ang gel bago dumikit sa tuktok na layer. Ang isang hydrogel na humahawak sa hugis nito at hindi masyadong gumagaling ay nabuo gamit ang 2.8 wt% alginate.

Paano bumuo ng isang hydrogel

Mga Kagamitan

Agarose (0.9 wt%)

Alginate (2.8 wt%)

Methylcellulose (3.0 wt%)

Sucrose (3.0 wt%)

Calcium Chloride.1M (147.001 g / mol)

ddH20

pinagsama-sama ng cell

2 Nahugasan at Pinatuyong Mga Beaker

1 Paghahalo ng Spatula

Aluminium Foil

Plastik na Timbang ng Papel

Nagtapos ng Silindro

Pamamaraan

Paggawa ng Hydrogel:

1. Sukatin ang isang tukoy na halaga ng ddH20 batay sa kung magkano ang solusyon ng gel na nais mong ihanda. Gamitin ang nagtapos na silindro upang makakuha ng isang tukoy na dami ng ddH20.
2. Maglalaman ang solusyon sa hydrogel ng Alginate (2.8 wt%)), Agarose (0.9 wt%), sucrose (3 wt%), at methylcellulose (3 wt%). Ang wastong mga bahagi ng mga bahagi ng solusyon ng hydrogel ay susukat gamit ang plastic na timbang na papel.
3. Kapag natapos na timbangin ang lahat ng mga bahagi, magdagdag ng ddh20, sucrose, agarose, at panghuli sa sodium alginate sa isa sa mga tuyong beaker. Paikutin upang ihalo ngunit huwag gumamit ng spatula upang makihalo dahil ang pulbos ay mananatili sa spatula.
4. Kapag nahalo na, balutin nang maayos ang tuktok ng beaker ng aluminyo foil at lagyan ng label ang beaker. Magdagdag ng isang piraso ng autoclave tape sa tuktok ng foil.
5. Ilagay ang natitirang methylcellulose sa iba pang dry beaker at balutin ito sa aluminyo foil tulad ng nakaraang beaker. Lagyan ng label ang beaker na ito at magdagdag ng isang piraso ng autoclave tape sa tuktok ng foil.
6. Balutin ang 1 spatula sa aluminyo foil at tiyaking wala sa mga ito ang nakalantad. Magdagdag ng autoclave tape sa nakabalot na spatula.
7. I-autoclave ang 2 beaker at 1 spatula sa 121 C sa loob ng 20 minuto sa panahon ng sterilize cycle. HUWAG GAMITIN ANG AUTOCLAVE SA ISANG STERILE & DRY CYCLE.
8. Kapag nakumpleto ang pag-ikot ng autoclave, payagan ang gel na palamig sa temperatura ng kuwarto at sa oras na maabot ito, magsimulang mag-operate sa Biological Safe Cabinet.
9. Siguraduhing hugasan ang iyong mga kamay at braso at gumamit ng wastong pamamaraan ng aseptiko sa sandaling gumana sa biosafety cabinet. SIGURADUHIN din na hindi direktang makipag-ugnay sa mga bagay na hahawak sa gel o malapit sa gel (hal: ang paghahalo ng dulo ng spatula, o ang rehiyon ng mga foil ng aluminyo na nakapatong sa gel)
10. Sa biosafety cabinet ihalo ang methylcellulose sa gel upang makakuha ng homogenous na pagkalat. Kapag natapos na ang paghahalo, muling pag-rewrap sa tuktok ang halo-halong solusyon sa gel at ilagay sa ref sa magdamag.
11. Mula dito maaaring magamit ang gel para sa pagpapakilala ng mga cell o para sa iba pang mga paggamit tulad ng pag-print.

Pagdaragdag ng Mga Cell:

1. Salain ang mga cell upang magkatulad ang laki ng mga ito. Ang aming pamamaraan para sa pag-filter ay

   Banayad na i-scrape ang mga cell mula sa petri dish at gumamit ng 380 micrometer sieve upang salain ang mga cells.

2. Dahan-dahang ihalo ang mga na-filter na cell sa hydrogel solution gamit ang isang flat head spatula upang maiwasan ang pagkawala ng timpla (na na-autoclaved).
3. Pagkatapos ng paghahalo ng mga cell centrifuge out mga bula
4. Mula dito ang hydrogel ay kumpleto at maaaring magamit para sa pag-print, paggamot, at mga eksperimento sa hinaharap.

Paano bubuo ng solusyon sa paggamot (0.1M Calcium chloride, CaCl2)

Mga Kagamitan

Calcium chloride

ddH20

Sucrose (3 wt%)

Pamamaraan (upang makagawa ng solusyon sa 1L na paggamot)

1. Sukatin ang 147.01g calcium chloride, 30mL sucrose, at 1L ddH20.
2. Paghaluin ang calcium chloride, sucrose, at ddH20 sa isang malaking beaker o lalagyan.
3. Isawsaw ang gel sa solusyon sa paggamot ng hindi bababa sa 10 minuto upang gumaling.

Hakbang 13: I-print

Sa teorya, ang Bioprinting ay lubos na simple; gayunpaman, sa pagsasagawa, maraming mga kadahilanan na maaaring maging sanhi ng pagkabigo. Sa gel na ito, nalaman namin na maraming bagay ang maaaring gawin upang ma-maximize ang tagumpay para sa aming aplikasyon:

1. Gumamit ng maliit na solusyon ng CaCl2 upang bahagyang pagalingin ang gel habang nagpi-print,
2. Gumamit ng isang twalya sa papel sa ilalim ng petri dish upang madagdagan ang pagdirikit
3. Gumamit ng isang tuwalya ng papel upang pantay na kumalat ng maliit na halaga ng CaCl2 sa buong pag-print
4. gumamit ng flowrate slider sa Repetier upang makahanap ng tamang flowrate

Para sa iba't ibang mga application at iba't ibang mga gel, maaaring kailanganin ang iba't ibang mga diskarte. Ang aming pamamaraan ay nabuo sa loob ng maraming buwan. Ang pasensya ay susi.

Suwerte kung susubukan mo ang proyektong ito at huwag mag-atubiling magtanong ng anumang mga katanungan.

Unang Gantimpala sa Arduino Contest 2019