Dispositivo biomedico open source per microcentrifuga: 11 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Questo è un progetto in corso che verrà aggiornato con il supporto della comunità e ulteriori ricerche e istruzioni

L'obiettivo di questo progetto è creare apparecchiature di laboratorio modulari e open source, facili da trasportare e costruite con parti di provenienza economica per assistere nella diagnosi di malattie in aree remote e con poche infrastrutture

Questo sarà un progetto open source in corso con la missione di fornire una piattaforma modulare per dispositivi medici, che può essere facilmente modificata ed ampliata a basso costo

I progetti iniziali riguarderanno una batteria modulare, un pacco motore CC e una microcentrifuga

Cercherà l'aiuto della comunità open source online per assistere con supporto, modifica e ulteriori progetti, per soddisfare le esigenze specifiche individuali degli operatori sanitari in località remote e rurali

DISCLAIMER: Il progetto è ancora in fase di test di progettazione e funzionalità e non è ancora adatto per NESSUNA applicazione diagnostica o clinica. L'elettronica e i motori devono essere assemblati e utilizzati a rischio e pericolo del lettore

Fase 1: Affermazioni del problema e del progetto

Dichiarazione problema:

La mancanza di accesso alle attrezzature cliniche e di laboratorio per assistere nella diagnosi e nel trattamento delle malattie porta alla morte prevenibile di molti nelle aree remote e con poche infrastrutture. In particolare, la mancanza di accesso a centrifughe di base affidabili priva gli operatori sanitari di uno strumento vitale nella lotta contro gli agenti patogeni trasmessi per via ematica come l'AIDS e la malaria.

Dichiarazione di progetto: progettare una microcentrifuga, una batteria modulare e un pacco motore CC, per assistere nella diagnosi e nel trattamento di malattie causate da patologie ematiche (patogeni e parassiti). Utilizzando tecniche di produzione additiva ove praticabile, questo design cerca di migliorare la portabilità e ridurre le barriere economiche delle tecnologie salvavita.

Fase 2: Razionale della progettazione:

Questo progetto mira a produrre una microcentrifuga adatta per l'uso sostitutivo nelle aree rurali utilizzando la stampa 3D FDM desktop, il taglio laser e l'elettronica per hobby. In tal modo, si spera che il dispositivo sarà accessibile a un'ampia varietà di operatori sanitari con un accesso variabile alle risorse.

Quando si progetta il rotore della centrifuga (parte del design che contiene le provette):

La forza G richiesta per la separazione dei campioni dipende dal tipo di campione desiderato, con forze medie per separare il sangue nei suoi costituenti che vanno da 1.000 a 2.000 g (thermofisher.com)

Il calcolo di RPM in RFC (G-force), può essere calcolato utilizzando RCF = (rpm)2 × 1,118 × 10-5 × r, dove 'r' è il raggio del rotore (bcf.technion.ac.il)

Passaggio 3: considerazioni sulla progettazione

Considerazioni sulla produzione additiva:

• Potrebbe verificarsi una scarsa adesione dello strato, con conseguente scarsa resistenza alla trazione e danni alle parti

• Le proprietà richieste variano in base ai materiali. Alcuni offrono una buona resistenza alla deformazione laterale e alla compressione con un peso e un costo ridotti

• È necessario applicare le impostazioni corrette durante lo slicing del codice G per garantire l'ottenimento delle proprietà del materiale desiderate

• La longevità delle parti prodotte utilizzando questa tecnica è relativamente bassa rispetto a quelle che utilizzano tecniche e materiali più costosi come i metalli di fresatura CNC.

• I materiali termoplastici hanno una temperatura di transizione relativamente bassa, quindi è necessario mantenere una temperatura di esercizio bassa (< circa 80-90 gradi Celsius) • I progetti stampati in 3D open source consentiranno agli utenti di modificare i progetti in base alle proprie esigenze e vincoli

Ulteriori vincoli di progettazione:

• Alcune aree potrebbero non avere un accesso adeguato all'alimentazione, potrebbero dover essere alimentate da solare portatile di base, batterie, ecc.

• Le vibrazioni e l'equilibrio possono essere un problema

• Deve essere in grado di produrre un numero di giri elevato per periodi fino a 15 minuti o più, provocando un elevato stress meccanico su alcune parti

• Gli utenti potrebbero non avere esperienza nell'uso delle apparecchiature e richiederanno supporto per ridurre le barriere tecniche

Passaggio 4: progettazione del modulo iniziale/base

Il design di cui sopra sfrutta al meglio lo spazio per fornire spazio adeguato per i componenti elettronici interni e garantisce un raggio sufficientemente ampio per una varietà di rotori di centrifuga e dimensionamento delle provette. Lo stile "incastro" del design è stato scelto per eliminare la necessità di materiale di supporto durante la produzione e per consentire una facile stampa, riparazione e fabbricazione sia nella produzione additiva che sottrattiva. Inoltre, la stampa di singole parti più piccole ridurrà l'impatto dell'errore/errore di stampa e consentirà l'utilizzo di una maggiore varietà di dimensioni del piano di stampa.

Sfruttando un design modulare, è possibile collegare al dispositivo molti tipi diversi di tazze centrifughe. Le modifiche rapide e la produzione di queste parti attraverso la produzione additiva consentono di modificare la forza G prodotta e la dimensione/tipo del campione elaborato. Ciò contribuisce a dargli un vantaggio rispetto alle macchine tradizionali e fornisce un approccio innovativo alla progettazione delle macchine in base alle esigenze dell'utente finale. Inoltre, i contenitori di zavorra offrono la possibilità di aggiungere supporto e smorzare le vibrazioni

Passaggio 5: elenco delle parti

Parti stampate in 3D: i file verranno caricati su Github e su thingiverse e aggiornati al più presto.

• 1 x vite mandrino
• 1 x dado del rotore
• 1 x coperchio dado
• 1 x coperchio principale
• 4 x corpo del rotore
• 1 x rotore ad angolo fisso
• 4 x zavorra superiore/inferiore
• 2 x zavorra laterale

Elettronica: (Link ai prodotti presto)

Arduino Nano ($ 8-10)

Cavi del connettore (<$ 0,2)

Regolatore di velocità elettronico ($ 8-10)

Motore DC senza spazzole 12V ($ 15-25)

Potenziometro ($ 0,1)

Batteria ricaricabile Li-po ($ 15-25)

Passaggio 6: stampa delle parti:

Tutte le parti sono disponibili da github qui: Disponibile anche da thingiverse qui:

Parti stampate in 3D: 1 x vite mandrino

1 x dado del rotore

1 x coperchio dado

1 x coperchio principale

4 x corpo del rotore

1 x rotore ad angolo fisso

4 x zavorra superiore/inferiore

2 x zavorra laterale

Le impostazioni generali della bozza di Cura, o simili nel software slicer selezionato, sono una buona linea guida per la stampa di tutte le parti del corpo e della zavorra.

Passaggio 7: assemblaggio: primo passaggio

• Preparare le seguenti parti per il montaggio come mostrato:

  • Base centrifuga
  • Involucro dei componenti
  • 4 x corpo del rotore
• Tutte le parti devono combaciare perfettamente ed essere fissate con adesivi appropriati

Passaggio 8: assemblaggio: componenti elettronici

Preparare i seguenti componenti elettronici per il test:

• Motore DC ed ECS
• Batteria
• Arduino Nano
• tagliere
• Potenziometro
• Ponticelli

La codifica e le istruzioni per l'arduino possono essere trovate qui:

Articolo di

Il motore di prova funziona regolarmente e risponde al potenziometro. In tal caso, installare l'elettronica nell'involucro e verificare che il motore funzioni in modo fluido e con poche vibrazioni.

Le foto del posizionamento esatto verranno aggiunte a breve.

Passaggio 9: montaggio: collegamento del rotore e della vite rotante

Raccogliere rotore, rulli, Spinner e dadi dello spinner.

Assicurati che tutte le parti si adattino bene. La levigatura può aiutare se la misura è troppo stretta.

Assicurati che il rotore abbia un percorso regolare e non salti o oscilli eccessivamente. Un piatto piatto può essere stampato o tagliato da acrilico, per favorire la stabilità, se necessario.

Una volta che le parti sono state sottoposte a levigatura e montaggio, fissare la vite ogiva al mandrino del motore e fissare il rotore con i dadi come mostrato.

Il rotore può essere rimosso per scaricare e caricare i campioni o per cambiare tipo di rotore.

Passaggio 10: montaggio: zavorra e coperchi

Raccogliere i contenitori di zavorra superiore e laterale, questi fungeranno da supporto, appesantimento e smorzamento delle vibrazioni.

Le parti devono incastrarsi e rimanere in posizione una volta riempite. Se necessario, le parti possono essere fissate insieme con colla super o adesivo simile.

Il coperchio principale sopra il rotore dovrebbe adattarsi saldamente quando è fissato con il dado del rotore superiore.

Le parti dovrebbero adattarsi come mostrato nell'immagine.

Passaggio 11: conclusione

Gli operatori sanitari in località remote affrontano la sfida delle barriere economiche e logistiche associate all'ottenimento e alla manutenzione di dispositivi e componenti medici e diagnostici vitali. La mancanza di accesso alle attrezzature di base come centrifughe e sistemi di pompaggio può portare a tempi di attesa fatali e diagnosi errate.

Questo progetto ha raggiunto il risultato desiderato nel dimostrare che è possibile creare un dispositivo medico open source (una microcentrifuga), utilizzando tecniche di produzione desktop e componenti elettronici di base. Può essere prodotto a un decimo del costo delle macchine disponibili in commercio, e facilmente riparato o smontato per parti da utilizzare in altri dispositivi, abbassando le barriere economiche. I componenti elettronici forniscono un'alimentazione affidabile e costante per il tempo necessario per elaborare i campioni di sangue più comuni, fornendo una diagnostica migliore rispetto alle unità alimentate a mano oa presa, in aree a bassa infrastruttura. La fattibilità di questo progetto ha un potenziale futuro nello sviluppo di una piattaforma modulare open-source di dispositivi medici, utilizzando un insieme di componenti fondamentali per guidare varie apparecchiature come pompe peristaltiche o, come in questo progetto, microcentrifughe. Con la creazione di una libreria di file open source, l'accesso a una singola stampante FDM potrebbe essere utilizzato per produrre una gamma di parti, con poche conoscenze di progettazione richieste dall'utente finale. Ciò eliminerebbe i problemi logistici associati alla spedizione dei componenti di base, risparmiando tempo e vite.